APOSTILA+DE+SENSORES

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Disciplina : AUTOMAÇÃO 1

AUTOR: PROF. Marcus Valério Rocha Garcia AUTOR: PROF. Marcus Valério Rocha Garcia

1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS ... 2

2) PROJETO INTEGRADOR ... 3

3) SENSOR DE

3) SENSOR DE TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE

TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE CONTROLE DISCRETO

CONTROLE DISCRETO .... 6

.... 6

4) SENSOR DE

4) SENSOR DE TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL

TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL ...

...

... 12

5) SENSOR DE NÍVEL ... 22

6) SENSOR DE PRESSÃO ... 29

7) SENSOR DE FORÇA E TORQUE ... 35

8) SENSOR DE PRESENÇA ... 41

11) VAZÃO E VISCOSIDADE ... 46

12) TIPOS DE INTERFACE PARA COMPUTADOR ... 48

13) CONTROLE AUTOMATICO DE PROCESSO ... 56

14) ANALISADORES ... 70

15) CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS SE MEDIÇÃO

15) CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS SE MEDIÇÃO ...

...

... 74

16) SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO

16) SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO ...

...

... 78

17) MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL

17) MODULAÇÃO ANALÓGICA E DIGITAL ...

...

... 88

18) FIELD BUS ... 91

(2)

CAPÍTULO 01

1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS

RESUMO RESUMO

Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de sensores; Classificação dos sensores;

sensores; Classificação dos sensores; VOCÊ SABIA...

VOCÊ SABIA...

Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a de um gato.

de um gato.

http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm

1.1) Sensor:

1.1) Sensor: É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal

É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal

elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada e

convertida em sinal elétrico.

1.2) Transdutor:

1.2) Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia.

É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia.

O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de

energia noutro, enquanto que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. (Um

alto falante, por exemplo, é um transdutor, mas não é um sensor!)

Contudo, um sensor pode integrar na sua constituição um transdutor.

1.3) Segurança e Integridade do Sinal

Transmissor:

Transmissor: Gera um sinal padrão para ser transmitido

Gera um sinal padrão para ser transmitido

Amplificador:

Amplificador: Aplica um ganho no sinal

Aplica um ganho no sinal

Repetidor:

Repetidor: Amplifica e recupera sinal fraco com distorções

Amplifica e recupera sinal fraco com distorções

1.4) Cuidado com

(3)

CAPÍTULO 01

1) INTRODUÇÃO Ã SENSORES INDUSTRIAIS

RESUMO RESUMO

Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de Definição de sensores, transdutores, transmissor, amplificador e repetidor; Cuidados com instalação de sensores; Classificação dos sensores;

sensores; Classificação dos sensores; VOCÊ SABIA...

VOCÊ SABIA...

Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber Os tubarões são os animais mais capacitados sensorialmente, tem uma capacidade fantástica de perceber estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de estímulos de todos os tipos, é capaz de perceber uma gota de sangue em um milhão e meio de gotas de água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão água a uma distância de 30 metros. O olfato é fantástico, e a sua audição e a linha unilateral estão relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores relacionadas e funcionam como radares para perceber vibrações na água. São dotados de sensores elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui elétricos e por isso são capazes de perceber a sua presa pelos impulsos elétricos, que todo corpo possui em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a em volta de si, e os tubarões são capazes de percebê-lo. A sua visão no escuro chega a ser melhor que a de um gato.

de um gato.

http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm http://www.geocities.com/maquaticos/curiosotub.htm

1.1) Sensor:

1.1) Sensor: É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal

É um dispositivo que recebe um sinal - estímulo - e responde através de um sinal

elétrico. Entende-se como estímulo a quantidade, propriedade ou condição que é detectada e

convertida em sinal elétrico.

1.2) Transdutor:

1.2) Transdutor: É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia.

É um dispositivo que transforma um tipo de energia noutro tipo de energia.

O termo sensor não deve ser confundido com transdutor. Este último converte um tipo de

energia noutro, enquanto que o primeiro converte qualquer tipo de energia em energia elétrica. (Um

alto falante, por exemplo, é um transdutor, mas não é um sensor!)

Contudo, um sensor pode integrar na sua constituição um transdutor.

1.3) Segurança e Integridade do Sinal

Transmissor:

Transmissor: Gera um sinal padrão para ser transmitido

Gera um sinal padrão para ser transmitido

Amplificador:

Amplificador: Aplica um ganho no sinal

Aplica um ganho no sinal

Repetidor:

Repetidor: Amplifica e recupera sinal fraco com distorções

Amplifica e recupera sinal fraco com distorções

1.4) Cuidado com

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1.5) Classificação dos sensores

CAPÍTULO 02

2) Projeto Integrador

RESUMO RESUMO O

O projeto do projeto do Robô Robô Rastreador é Rastreador é um um robô robô simples, simples, barato e barato e interessante. É interessante. É um um robô robô capaz de capaz de seguir seguir o o traçadotraçado de uma linha sem as ajuda de micro controladores e circuitos lógicos digitais complexos.

de uma linha sem as ajuda de micro controladores e circuitos lógicos digitais complexos.

O seu conceito é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo de seu chassi. Estes sensores O seu conceito é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo de seu chassi. Estes sensores foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim, é possível fazer com que o robô “siga” foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim, é possível fazer com que o robô “siga” ou “rastreie” o traçado da linha.

ou “rastreie” o traçado da linha.

VOCÊ SABIA VOCÊ SABIA

O robô humanóide mais recente e de características mais perfeitas é de 2000 e se chama ASIMO. Este O robô humanóide mais recente e de características mais perfeitas é de 2000 e se chama ASIMO. Este modelo

modelo atinge atinge um nível um nível evolutivo evolutivo na na forma de forma de andar andar muito pmuito próximo ao róximo ao humano. humano. extremamente versátil.extremamente versátil. Aceita diversos comandos de voz, pode ser programado para executar várias funções através de Aceita diversos comandos de voz, pode ser programado para executar várias funções através de Inteligência Artificial (IA) e sua visão é bastante avançada, podendo reconhecer objetos, pessoas e seguir Inteligência Artificial (IA) e sua visão é bastante avançada, podendo reconhecer objetos, pessoas e seguir comandos que utilizem sinais.

comandos que utilizem sinais.

2.1) INTRODUÇÃO

Um robô capaz de seguir o traçado de uma linha sem a ajuda de microcontroladores e/ou circuitos Um robô capaz de seguir o traçado de uma linha sem a ajuda de microcontroladores e/ou circuitos lógicos digitais complexos. Os componentes usados na montagem do robô rastreador limitam-se apenas a lógicos digitais complexos. Os componentes usados na montagem do robô rastreador limitam-se apenas a alguns transistores (quatro no total), alguns resistores, diodos, fototransistores, Leds IR comuns e dois motores. alguns transistores (quatro no total), alguns resistores, diodos, fototransistores, Leds IR comuns e dois motores.

O robô rastreador é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo do seu chassi. O robô rastreador é bem simples. Ele possui dois sensores voltados para a parte de baixo do seu chassi. Estes sensores foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim é possível fazer Estes sensores foram dispostos para diferenciar duas cores básicas: o preto e o branco. Assim é possível fazer com que o robô “siga” ou “rastreie” o traçado da linha.

com que o robô “siga” ou “rastreie” o traçado da linha.

2.2) DEFINIÇÃO DO SISTEMA

Quando o sensor identifica a cor branca existe sinal, na cor preta o sinal não existe mais. Vamos Quando o sensor identifica a cor branca existe sinal, na cor preta o sinal não existe mais. Vamos compreender como isso foi feito. O sensor foi montado com um Led IR (emissor de inframervelho) e um compreender como isso foi feito. O sensor foi montado com um Led IR (emissor de inframervelho) e um fototransistor. Estes estão posicionados de maneira que seja possível ao fototransistor “enxergar” a emissão dos fototransistor. Estes estão posicionados de maneira que seja possível ao fototransistor “enxergar” a emissão dos raios infravermelhos do LED por reflexão. A cor branca atua mais ou menos como um “espelho”, refletindo o raios infravermelhos do LED por reflexão. A cor branca atua mais ou menos como um “espelho”, refletindo o sinal IR do LED para o transistor e a cor preta impede a reflexão. Por isso dizemos que o sensor “reflete” o sinal IR do LED para o transistor e a cor preta impede a reflexão. Por isso dizemos que o sensor “reflete” o

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2.3) DEFINIÇÃO DOS COMPONENTES

Leds IR

Funciona da mesma forma que o LED comum, porém emite uma luz infravermelha (invisível). O funcionamento de um led recptor consiste basicamente : quando ele recebe um sinal infravermelho ele permite que a corrente o atrvesse .

Fototransistores

O fototransistor é mais um dispositivo que funciona baseado no fenômeno da fotocondutividade. Ele pode, ao mesmo tempo, detectar a incidência deluz e fornecer um ganho dentro de um único componente.

Como o transistor convencional, o fototransistor é uma combinação de dois diodos de junção, porém, associado ao efeito transistor aparece o efeito fotoelétrico. Em geral, possui apenas dois terminais acessíveis, o coletor e o emissor, sendo a base incluída apenas para eventual polarização ou controle elétrico.

Transistor NPN

O NPN recebe uma tensão no coletor e uma corrente de base na base muito baixa, e conforme essa corrente varia, varia igualmente a corrente que passa entre o coletor e o emissor. Quando atinge a corrente de base de saturação o transistor conduz em sua capacidade máxima! O ganho obtido entre corrente de base e corrente de emissor pode variar entre transistores diferentes, e pode ser calculado dividindo a corrente de emissor máxima e a corrente de base máxima.

Transistor Darlington

A configuração Darlington é uma delas e caracteriza-se pela sua simplicidade. Consiste na ligação direta de dois transistores de forma a que o resultado seja equivalente a um único transistor de grande ganho.

Diodo Retificador

Sua característica principal é a regulação de tensão: na polarisação reversa, mantem as tensõe em seus terminais constante, compensando a variação da tensão aplicada com a vriação da corrente. Este comportamento se deve ao fato de que o diodo é fabricado para funcionar na região de ruptura onde um diodo retificador não funciona.

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Resistor

O escoamento de cargas através de um material encontra oposição de uma força semelhante, em muitos aspectos, ao atrito mecânico. Esta oposição, resulta das colisões entre elétrons e átomos do material, que converte energia elétrica em calor, é chamada de resistência do material.

Uma outra forma de descrever o princípio de funcionamento de um resistor é enunciando a lei de ohm: a tensão aplicada em um resistor, pela corrente que por ele flui é igual a resistência deste dispositivo.

Capacitor Eletrolítico

Os Capacitores Eletrolíticos de alumínio, entre os diversos tipos de capacitores disponíveis, são extremamente importantes nos circuitos eletrônicos, principalmente porque apresentam valores elevados de capacitância em volume reduzido.

Capacitor Poliéster

Um capacitor ou condensador é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica. Para a identificação dos valores do capacitor de poliéster é usado um conjunto de 7 faixas coloridas (conforme tabela), embora seja um método em desuso pelos fabricantes, no qual cada faixa representará respectivamente:primeiro algarismo,segundo algarismo, algarismo multiplicador, tolerância e tensão.O valor é obtido em pF.

2.4) FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO

Os LEDS D1 e D2 são emissores de infravermelho e Q1 e Q2 são foto transistores. D1 compõem um sensor com Q1. Quando Q1 recebe o sinal de D1, refletido pela cor branca, este entra em condução levando Q3 ao corte (corrente Ic = 0). Assim Q5 é polarizado de maneira direta pelo resistor R5 e passa a conduzir fazendo o motor funcionar. Isto também vale para D2, Q2, Q4, R7 e Q6.

Quando D1 e Q1 são posicionados sobre a cor preta, não existe mais a reflexão dos raios infravermelhos de D1 e Q2 é levado ao corte. Quando isso acontece, Q3 passa a conduzir, polarizado por R1 levando Q5 ao corte, então o motor para de girar.

Os diodos D3 e D4 protegem os transistores Q5 e Q6 contra correntes reversas provocadas pelo motor. Os capacitores C1 e C2 são filtros para o circuito. A alimentação é feita através de quatro pilhas pequenas. A chave S1 liga e desliga o robô.

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2.5) Componentes

Semicondutores

2- Leds IR (TIL32)

2- Fototransistores (TIL78) 2- Transistor NPN (BC547) 2- Transistor darlington (TIP127) 2- Diodos retificador (IN4001) Resistores

4- 10k (Marrom, Preto, Laranja)

2- 330ohms (Laranja, Laranja, Marrom) 2- 4k7 (Amarelo, lilás, vermelho)

Capacitores

1- 220µF x 16V Capacitor eletrolítico

1- 100nF Capacitor poliéster Diversos

1- Chave on/off

2- Motores para 6VDC com caixa de redução

Placa de circuito impresso 10cm x 10cm, suporte para quatro pilhas “AA”, fios para ligação, etc.

CAPÍTULO 03

3) SENSOR DE TEMPERATURA DE MONITORAMENTO E DE CONTROLE DISCRETO

3.1) SENSOR DE TEMPERATURA PARA MONITORAMENTO

RESUMO

Caracterizar, compreender, conhecer, definir e comparar os diversos tipos de sensores utilizados

na medição de temperatura

VOCÊ SABIA

Que é errado dizer que alguém está com tantos graus centígrados, pois as escalas Celsius e Fahrenheit tem 100 divisões entre os pontos máximos e mínimos propostos pelos seus criadores!

3.1.1) DEFINIÇÕES

Matéria : é tudo aquilo que ocupa lugar no espaço.

Corpos : são porções limitadas da matéria. Ex : 1L d’água , 1 barra de aço , etc.

Material : é toda espécie de matéria . Ex : prego, parafuso, barra de aço são corpos constituídos de um mesmo material, que é o aço.

SUBSTÂNCIA: toda espécie química a que corresponde uma composição constante. Ex: Os materiais podem ser constituídos de uma única substância, como a água pura, o oxigênio, o ouro, ou de substâncias diferentes como o ar , a água do mar , etc.

ENERGIA: a capacidade de produzir trabalho. As transformações químicas das substâncias sempre vêm acompanhadas de variações de energia . A energia se apresenta na natureza sob a forma de energia elétrica , energia térmica , energia luminosa , energia química , etc. As transformações químicas, reações , e mudanças de estado físico da matéria estão associados à liberação ou absorção de calor.

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Portanto CALOR: energia em trânsito que é transferida por meio da fronteira de um sistema termodinâmico em virtude de uma diferença de temperatura.

SISTEMA TERMODINÂMICO: quantidade de matéria de massa e identidade fixas para as quais nosso estudo é dirigido. Tudo o mais externo do sistema é chamado de vizinhança ou exterior.

FRONTEIRA DE UM SISTEMA: interface que delimita o espaço denominado sistema, separando-o da vizinhança.

As figuras a seguir nos permitem visualizar um Sistema Termodinâmico formado por um recipiente contendo gás á uma temperatura inicial de 20ºC , e que após ser aquecido foi á 120ºC.

PIROMETRIA: Medição de altas temperaturas. CRIOMETRIA: Medição de baixas temperaturas.

TERMOMETRIA:Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria, como a Criometria que seriam casos particulares de medição.

3.1.2) Modos de transferência da Energia Térmica

3.1.2.1) Condução : 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 sólido , líquido , ou gasoso , ou entre meios diferentes em contato físico direto.

3.1.2.2) Radiação : é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa , quando estão separados no espaço , ainda que exista vácuo entre eles.

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3.1.2.3) Convecção

3.1.2.3) Convecção : é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de: é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor , armazenamento de energia e movimento da mistura . A convecção é mais importante como mecanismo calor , armazenamento de energia e movimento da mistura . A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás . Ex: panela no fogo antes do de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás . Ex: panela no fogo antes do momento da fervura , aquecedor solar.

momento da fervura , aquecedor solar. 3.1.3) Escalas de Temperatura

3.1.3) Escalas de Temperatura 3.1.3.1) Escala Fahrenheit :

3.1.3.1) Escala Fahrenheit : Criada em 1714, convencionou-se Criada em 1714, convencionou-se 0°0°F ponto em F ponto em que a que a temperatura medidatemperatura medida era a mais baixa conhecida , a temperatura de fusão de uma mistura de partes iguais de cloreto de sódio (NaCl, era a mais baixa conhecida , a temperatura de fusão de uma mistura de partes iguais de cloreto de sódio (NaCl, vulgarmente conhecido por sal de cozinha), cloreto de amônio (NH4Cl) e gelo fundente (gelo picado e água vulgarmente conhecido por sal de cozinha), cloreto de amônio (NH4Cl) e gelo fundente (gelo picado e água pura). Como ponto fixo superior, escolheu a temperatura normal do corpo humano (provavelmente a sua própria pura). Como ponto fixo superior, escolheu a temperatura normal do corpo humano (provavelmente a sua própria ou de sua esposa )

ou de sua esposa )

Para facilitar a leitura, dividiu o espaço entre o ponto inferior e superior em cem partes iguais, atribuindo Para facilitar a leitura, dividiu o espaço entre o ponto inferior e superior em cem partes iguais, atribuindo os valores de 0ºF e 100ºF , aos pontos fixos inferior e superior, respectivamente.

os valores de 0ºF e 100ºF , aos pontos fixos inferior e superior, respectivamente.

Diz-se, lendariamente, que Fahrenheit escolheu como ponto inferior a temperatura do dia mais frio de Diz-se, lendariamente, que Fahrenheit escolheu como ponto inferior a temperatura do dia mais frio de 1727, na Islândia; além disso, o ponto fixo superior teria sido medido numa pessoa febril, pois a temperatura de 1727, na Islândia; além disso, o ponto fixo superior teria sido medido numa pessoa febril, pois a temperatura de uma pessoa sadia normal é de 98,6 ºF.

uma pessoa sadia normal é de 98,6 ºF. 3.1.3.2) Escala Celsius :

3.1.3.2) Escala Celsius : Nasceu centígrada por definição, já que havia cem graus entre os pontos deNasceu centígrada por definição, já que havia cem graus entre os pontos de gelo e vapor de água, tendo sido tomado arbitrariamente como referencia o valor zero para o gelo e cem para o gelo e vapor de água, tendo sido tomado arbitrariamente como referencia o valor zero para o gelo e cem para o vapor.

vapor.

Seu criador foi Anders Celsius. Seu criador foi Anders Celsius.

Esta escala lê-se em graus Celsius - e, não, como alguns teimam, erradamente, em graus centígrados, Esta escala lê-se em graus Celsius - e, não, como alguns teimam, erradamente, em graus centígrados, por o intervalo entre os pontos fixos ser dividido em cem divisões iguais. (Observe-se que, seguindo o mesmo por o intervalo entre os pontos fixos ser dividido em cem divisões iguais. (Observe-se que, seguindo o mesmo raciocínio, a escala Fahrenheit também deveria ser referida por graus centígrados - o intervalo entre os seus raciocínio, a escala Fahrenheit também deveria ser referida por graus centígrados - o intervalo entre os seus pontos fixos também se subdivide em cem divisões iguais!!)

pontos fixos também se subdivide em cem divisões iguais!!) 3.1.3.3) Escala Kelvin:

3.1.3.3) Escala Kelvin: Criado por Willian Thomson que em 1832, descobriu que a descompressão dosCriado por Willian Thomson que em 1832, descobriu que a descompressão dos gases provoca esfriamento e cria a escala de temperaturas absolutas. O valor da temperatura em graus Kelvin é gases provoca esfriamento e cria a escala de temperaturas absolutas. O valor da temperatura em graus Kelvin é igual ao grau Celsius mais 273,16.

igual ao grau Celsius mais 273,16. 3.1.3.4) Escala Rankine:

3.1.3.4) Escala Rankine: A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porem sua divisão éA escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porem sua divisão é idêntica a da escala Fahrenheit.

idêntica a da escala Fahrenheit. Escala

Escala de de Temperatura Temperatura CelsiusCelsius KelvinKelvin FahrenheitFahrenheit RankineRankine Unidade (símbolo)

Unidade (símbolo) grau grau CelsCelsius ius (°(°C) C) kelvin kelvin (K (K ) ) grau grau FahrFahrenheenheit it (°(°F) F) grau grau RankRankine ine (°(°R)R)

Temperatura de ebulição da água

Temperatura de ebulição da água 100 100 °°C C 37373,3,15 15 K K 212 212 °°F F 671671,6,67 7 °°RR

Temperatura de fusão do gelo

Temperatura de fusão do gelo 0 0 °°C C 27273,3,15 15 K K 32 32 °°F F 49491,1,67 67 °°RR

Número de divisões da escala entre os Número de divisões da escala entre os dois pontos anteriores

dois pontos anteriores 100 100 100 100 180 180 180180 Zero absoluto

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3.1.4) Termômetros 3.1.4) Termômetros

3.1.4.1) Termômetros á dilatação de líquidos 3.1.4.1) Termômetros á dilatação de líquidos Em recepiente de vidro :

Em recepiente de vidro : Os termômetros líquidos em vidro possuem um recipiente contendo o líquidoOs termômetros líquidos em vidro possuem um recipiente contendo o líquido e um capilar de vidro, acoplado a um recipiente. O líquido dilata-se ao aquecer e contrai–se com o esfriamento, e um capilar de vidro, acoplado a um recipiente. O líquido dilata-se ao aquecer e contrai–se com o esfriamento, segundo uma lei de expansão volumétrica e através de uma escala apresenta o nível de temperatura, entre os segundo uma lei de expansão volumétrica e através de uma escala apresenta o nível de temperatura, entre os líquidos mais utilizados são álcool, querosene, tolueno e mercúrio.

líquidos mais utilizados são álcool, querosene, tolueno e mercúrio. Em recipiente metálico

Em recipiente metálico : O líquido de dilatação preenche todo o bulbo e sob o efeito de aumento de: O líquido de dilatação preenche todo o bulbo e sob o efeito de aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico).

temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Suas características básicas são:

Suas características básicas são: 1.

1. Tempo Tempo de de resposta resposta relativamente relativamente grande;grande; 2.

2. Alta precisão Alta precisão e é e é o instrumento do instrumento de medição e medição de temperatura de temperatura de maior de maior precisão.precisão.

Capilar

Capilar : Suas dimensões são variávéis , sendo que o diâmetro interno deve ser o menor: Suas dimensões são variávéis , sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível , a fim de evitar a influência da temperatura ambiente , porém não deve oferecer resistência a possível , a fim de evitar a influência da temperatura ambiente , porém não deve oferecer resistência a passagem do líquido em expansão .

passagem do líquido em expansão . Elemento de medição

Elemento de medição : o elemento usado é o tubo de Bourdon , podem ser :: o elemento usado é o tubo de Bourdon , podem ser : Tipo C Tipo C Tipo Helicoidal Tipo Helicoidal Tipo espiral Tipo espiral

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3.1.4.2) Termômetros á pressão de gás:

3.1.4.2) Termômetros á pressão de gás: seu funcionamento baseia-se naseu funcionamento baseia-se na Lei de Gay-Lussac,Lei de Gay-Lussac, com acom a variação da temperatura do gás o seu volume altera-se tendo assim uma variação da pressão interna do variação da temperatura do gás o seu volume altera-se tendo assim uma variação da pressão interna do termômetro.

termômetro.

Os gases que podem ser utilizados nesses termômetros Os gases que podem ser utilizados nesses termômetros são o hélio, hidrogênio, dióxido de carbono, e o mais utilizado são o hélio, hidrogênio, dióxido de carbono, e o mais utilizado nitrogênio.

nitrogênio.

O bulbo é preenchido com gás a alta pressão, onde o O bulbo é preenchido com gás a alta pressão, onde o volume é constante. Conforme a variação de temperatura o gás volume é constante. Conforme a variação de temperatura o gás sofre expansão ou contração térmica, variando a pressão que sofre expansão ou contração térmica, variando a pressão que expandirá ou contrairá o tudo de Bourdon (sensor volumétrico), expandirá ou contrairá o tudo de Bourdon (sensor volumétrico), movendo assim o ponteiro que indicará a temperatura.

movendo assim o ponteiro que indicará a temperatura.

O limite inferior de temperatura deve-se à própria O limite inferior de temperatura deve-se à própria temperatura crítica do gás e a superior provém do recipiente temperatura crítica do gás e a superior provém do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás.

apresentar maior permeabilidade ao gás.

3.1.4.3) Termômetros á pressão de Vapor: 3.1.4.3) Termômetros á pressão de Vapor: seuseu funcionamento é baseado na “Lei de Dalton”. “A pressão de funcionamento é baseado na “Lei de Dalton”. “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume”.

seu volume”.

Para qualquer variação de temperatura haverá uma Para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro, portanto ocorre uma variação na pressão dentro do termômetro, portanto ocorre uma variação na pressão dentro do capilar.

do capilar.

Tipos de gases: Cloreto de Metila, Bulano, Éter, Etílico, Tipos de gases: Cloreto de Metila, Bulano, Éter, Etílico, Tulueno, Dióxido de Enxofre, Prepano.

Tulueno, Dióxido de Enxofre, Prepano.

Com a variação de temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica resultando assim em Com a variação de temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica resultando assim em uma variação da pressão.

uma variação da pressão.

3.1.4.4) Termômetros á dilatação de sólidos:

3.1.4.4) Termômetros á dilatação de sólidos: o par bimetálico é enrolado em forma de espiral ouo par bimetálico é enrolado em forma de espiral ou hélice, o que aumenta a sensibilidade. Sua extremidade superior é fixa a um eixo o qual possui na ponta um hélice, o que aumenta a sensibilidade. Sua extremidade superior é fixa a um eixo o qual possui na ponta um ponteiro que girará sobre uma escala de temperatura.

ponteiro que girará sobre uma escala de temperatura.

Seu funcionamento é baseado no fenômeno da flexão térmica, que ocorre sempre que se justapõem Seu funcionamento é baseado no fenômeno da flexão térmica, que ocorre sempre que se justapõem duas laminas metálicas de materiais diferentes fixando-as uma a outra. A flexão dar-se-á para o lado do metal duas laminas metálicas de materiais diferentes fixando-as uma a outra. A flexão dar-se-á para o lado do metal com o menor coeficiente de dilatação.

com o menor coeficiente de dilatação.

Invar são ligas à base de Ni (Níquel) e Fe (Ferro), Invar são ligas à base de Ni (Níquel) e Fe (Ferro), que apresentam a propriedade de um baixo coeficiente de que apresentam a propriedade de um baixo coeficiente de dilatação térmica

(12)

3.2) SENSOR DE TEMPERATURA PARA CONTROLE DE PROCESSOS DISCRETOS

3.2.1) Termostatos: A função do termostato é impedir que a temperatura de determinado sistema varie além de certos limites preestabelecidos. Um mecanismo desse tipo é composto, fundamentalmente, por dois elementos: um indica a variação térmica sofrida pelo sistema e é chamado elemento sensor; o outro controla essa variação e corrige os desvios de temperatura, mantendo-a dentro do intervalo desejado. Termostatos controlam a temperatura dos refrigeradores, ferros elétricos, ar condicionado e muitos outros equipamentos.

Exemplo de elemento sensor são as tiras bimetálicas, constituídas por metais diferentes, rigidamente ligados e de diferentes coeficientes de expansão térmica. Assim, quando um bimetal é submetido a uma variação de temperatura, será forçado a curvar-se, pois os metais não se dilatam igualmente. Esse encurvamento pode ser usado para estabelecer ou interromper um circuito elétrico, que põe em movimento o sistema de correção.

(13)

Termostatos de imersão com Capilar Flexível com sistema de expansão a gás, de alta qualidade, construído para controlar temperaturas com precisão em estufas, aquecedores elétricos, calefação, sistemas de ar, caldeiras, galvanoplastia, vulcanização, etc.

CAPÍTULO 04

4) SENSOR DE TEMPERATURA DE CONTROLE PROPORCIONAL

RESUMO:

Neste capitulo serão apresentados os diversos sensores de temperatura que enviam sinais que variam dentro de um determinado range de resistência, tensão ou corrente.

VOCÊ SABIA:

Que é possível dterminar a temperatura de uma peça dentro de um forno pela sua cor?

4.1) TERMORESISTÊNCIAS

Os “termômetros de resistência” funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande gama de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a resistência com a temperatura, ao passo que os semicondutores diminuem a resistência com a temperatura.

Os termoresistores de metal são confeccionados com fios altamente purificados de platina, níquel ou cobre.

O gráfico abaixo apresenta a variação da resistência com a temperatura para vários materiais, observe-se que para uma mesma variação de temperatura, a variação de resistência do metal (∆Rm) é significativamente menor do que a no NTC (∆Rs).

Características básicas:

• Alta estabilidade mecânica e elétrica • Resistência à contaminação

• Relação resistências / temperatura “praticamente” linear

• Desvio com uso e envelhecimento desprezíveis • Alto sinal elétrico de saída

Variação da resistência elétrica em função da temperatura é dada pela formula:

Onde:

R(t) = Resistência elétrica a temperatura “T” Ro = Resistência elétrica a temperatura de 0ºC

α = Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura medida em ºC

T = Temperatura medida em ºC

Dentre os metais que se mostram mais adequados para a utilização na termometria de resistência são : • Liga de Rh 99,5% x Fe 0,5% : medição de -272,65ºC a -248,15ºC • Cobre : medição de -80ºC a 260ºC

)

Τ α

1 (

Ρο Ρ

(

τ

)

₌ ₊

x

(14)

• Níquel : medição de -60ºC a 180ºC

• Platina : medição de -248ºC a 962ºC, é o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência , pela sua faixa de utilização , boa linearidade e melhor resistência a oxidação .

4.1.1) Termômetros de Resistência de Platina Padrão (TRPP) : Esta configuração é adotada nos termômetros que são utilizados como padrão de interpolação na Escala Internacional de temperatura de 1990 (ITS90) , suas principais características construtivas são :

a) O elemento sensor é feito de Platina com pureza melhor que 99,999%

b) Sua montagem é feita de modo que a Platina não fique submetida a tensões

c) São utilizados materiais de alta pureza e inércia química , tais como quartzo na fabricação do tubo e mica na confecção do suporte do sensor de Platina

4.1.2) Termômetro de resistência de Platina Industrial (TRPI) : As diversas configurações de montagem deste tipo de termômetro visam adequá-lo à grande variedade de possibilidades de utilização em uma planta industrial , na qual haverá desde condições simples de operação até as mais agressivas .

As TRPP tem Ro = 25,5 , já as TRPI tem Ro = 100 , isto devido a TRPI utilizar Platina com teor de

pureza menor , da ordem de 99,99% , devido a contaminação prévia feita com o objetivo de reduzir contaminações posteriores durante a sua utilização

4.1.3) Termoresistências Pt-100 : As termoresistências Pt-100 são as mais utilizadas industrialmente. Vantagens :

a) Possui maior precisão dentro da faixa de medição (-270ºC à 660ºC) do que outros tipos de sensor . b) Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação

c) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessário somente fios de cobre comuns.

d) Tem características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares. Desvantagens :

a) São mais caras do que os sensores utilizados nesta mesma faixa.

b) Deterioram-se com mais facilidade, caso haja se ultrapasse a temperatura máxima de utilização.

c) É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizada para a correta indicação.

d) Possui um tempo de resposta mais alto que os termopares.

HISTERESES: forma de energia residual resultante de todo fenômeno físico não reversível. É comum na maioria dos metais e demais substâncias.

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Bulbo Histerese típica (% do Span) Cerâmico 0,004

Filme fino 0,04 Vidro 0,08

4.1.4) Ligação de um Termoresistor : Para circuitos de medição com termômetros de resistência sempre se faz necessária um fonte de tensão, normalmente de 6V .

Utilizam-se as pontes de Wheatstone para transformar as variações de resistência em variações de tensão .

As resistências dos cabos ( RL1 e RL2), podem causar interferência no valor real da resistência do termoresistor, desta maneira, existem vários tipos de montagens que podem ser realizadas, buscando minimizar esse efeito: (a) dois fios, (b) três fios e (c) quatro fios.

4.3.2) Termistores : existem duas variedades básicas de termistores: • Os de coeficiente positivo de temperatura (PTC)

• Os de coeficiente negativo de temperatura (NTC)

4.2) TERMISTORES

4.2.1) Termistor PTC : é um resistor semicondutor sensível à temperatura. Seu valor de resistência aumenta rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada.

Exemplos de utilização: fusíveis, chave interruptora, aquecedores, sensores de nível e outros.

4.2.2) Termistor NTC : São termistores de coeficiente negativo de temperatura (NTC), ou seja, a resistência diminui com o aumento da temperatura.

O tipo NTC é mais usual na medição e controle de temperatura.

O termistor NTC é um dos sensores de temperatura que dão a maior variação da saída por variação de temperatura, mas a relação não é linear.

Baixa temperatura máxima, outro fator que limita o uso industrial. Uma aplicação típica de termistores é na proteção de circuitos de potência.

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4.3) TERMOPARES

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes “x” e “y” e submetendo as junções “a” e “b” a temperaturas diferentes T1 e T2, surge uma f.e.m.

(força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Abrindo o circuito em qualquer ponto e inserindo um instrumento adequado, tem-se o valor da f.e.m.

Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck". Em

outras palavras, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, tem-se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T₁ e T₂, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par termoelétrico” ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m.

1a Lei Termoelétrica : “A força eletromotriz "ε" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato”.

Algumas conseqüências importantes da 1aLei :

a) Se as junções estiverem a mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula.

b) A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo-se alí o instrumento.

c) A f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários”.

2a Lei Termoelétrica : (Lei das Temperaturas Intermediárias) “Se dois metais homogêneos diferentes produzem uma f.e.m. E1 quando as junções estão às temperaturas T1 e T2, e uma f.e.m. E2, quando as junções

estão a T₂e T₃, a f.e.m. gerada quando as junções estão a T₁e T₃será E₁+ E₂”.

A Figura mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicara uma voltagem

proporcional a diferença (T1- T2) .T2pode ser medida com um termômetro convencional.

x y i T2=T. ambiente T1 “a” “b”

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Circuito equivalente, Rvé a resistência interna do voltímetro. RT é a resistência dos fios do termopar

acrescido dos fios que levam o sinal ao instrumento.

Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado no gráfico da figura 5. A curva mostrada no gráfico é denominada de curva de calibração do par termoelétrico.

A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1).

Curva de calibração de um par termoelétrico

A partir do gráfico pode-se definir uma grandeza denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por: P = dε /dT ou para um intervalo de temperatura: P =∆ε / ∆T

A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (∆e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (∆T).

(18)

Termopares Comerciais

Na maioria dos casos, sobretudo em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar necessitam estar relativamente afastados. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento.

Termopar com fios de compensação

Na montagem apresentada na figura acima, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que

os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um único termopar). Note que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T₁- T₂).

4.3.1) Associação Série de Termopares : dois ou mais termopares podem ser associados em série simples , é usada quando se pretende obter a soma das F.E.M. individuais.

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4.3.2) Associação Séria-Oposta de Termopares : quando se está interessado na diferênça de temperaturas e não nos valores obtidos delas, como por exemplo, as diferenças de temperaturas existentes entre dois pontos dentro da câmera de um forno.

EXEMPLO : Dois termopares tipo K estão medindo a diferença de temperaturas entre dois pontos que se encontram a 45ºC e 40ºC respectivamente, e essa diferença será medida pelo milivoltímetro.

F.E.M. total = F.E.M. 1 – F.E.M. 2 F.E.M. total = 1,817mV – 1,611mV F.E.M. total = 0,206mv→5ºC

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4.3.3) Associação Paralela de Termopares : ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento , o valor registrado por este corresponderá à média das mV geradas nos diversos termopares.

Aplicação : Inserir os termopares para medir a temperatura média ao longo de uma barra de aço

4.3.4) O Efeito Peltier: em 1834, Jean Peltier, mostrou, através de experimentos, que quando se passa uma pequena corrente elétrica através da junção de dois fios diferentes, em uma direção, a junção se resfria, e assim absorve calor de sua vizinhança. Quando a direção de corrente é invertida, a junção se aquece. E assim libera calor para a vizinhança.

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Quando se introduz um gerador em um circuito formado por um par termoelétrico com ambas extremidades unidas e à mesma temperatura inicial, ao circular uma corrente elétrica "I" pelo circuito, observa-se que em uma das junções ocorre um resfriamento T, enquanto na outra junção ocorre um aquecimento de mesmo valor. Ao se inverter o sentido da corrente elétrica inverte-se também o efeito de aquecimento e resfriamento nas junções.

O efeito Peltier pode ser descrito como uma espécie de "bomba de calor", que "sulga" calor de um dos lados, e o dissipa do lado oposto. Isto significa que temos um lado frio e um lado quente.

O lado frio, é o que sulga o calor, que naturalmente é o que ficará e contato com o processador, enquanto o lado quente em geral é fixado a um cooler convencional, que ajuda a dissipar o calor gerado, evitando que o peltier se superaqueça. Como o peltier deve cobrir toda a área de contato do processador, existem peltiers de vários tamanhos.

4.4) MEDIÇÃO DE TEMPERATURA SEM CONTATO

4.4.1) Método da Radiação: Um grande problema é a aplicação de termômetros de contato na medição de temperaturas de corpos em movimento. O sensor de temperatura deve ler a mesma temperatura do corpo que está sendo medido. Ao desejarmos determinar as variações de temperatura na superfície de um objeto, um aparelho não conectado pode rapidamente passar por toda a superfície.

Para resolver-se este tipo de problema, foram desenvolvidos os Sensores de Radiação, mais comumente denominados “PIRÔMETROS”. Principais famílias de Pirômetros:

• Pirômetro de Radiação • Pirômetro Óptico

4.4.1.1) Pirômetros de Radiação: Os sensores de temperatura de radiação operam com radiação eletromagnética cujo comprimento de onda esteja na faixa visível e no infravermelho que vai de 0,3 a 0,72 µ.

Um corpo negro ideal é aquele que absorve (em todas temperaturas) toda a radiação que incide nele e sua potência absortiva será 1, independentemente da direção da radiação.

Na prática, a maioria dos corpos não se comporta dessa maneira e possuem, conseqüêntemente, uma potência absortiva menor do que 1.

Um corpo negro ideal também se comporta como um irradiador ideal.

Assim, um corpo negro ideal emite mais energia do que um corpo comum. Essa “Potência Emissiva” pode ser chamada “Emissividade” e no caso do corpo negro, vale 1.

As emissividades não são propriedades simples dos materiais tal como a densidade, porém, depende da dimensão do corpo, forma, aspereza da superfície, etc....

(22)

A emissividade das superfícies não é a mesma para todos os comprimentos de onda; em geral, a emissividade é maior em comprimentos de onda menores e a emissividade de óxidos e outros materiais refratários é maior para comprimentos de onda maiores.

Um irradiador que se comporte como um corpo negro pode ser obtido através de um dispositivo com uma cavidade, como um forno, por exemplo (figura 1), tendo uma pequena abertura, por onde a radiação pode ser emitida.

Para entender como o sistema funciona como um corpo negro é necessário considerar uma radiação entrando na pequena abertura.

A radiação sofre múltiplas reflexões nas paredes internas do forno, antes de escapar pela superfície. Como as paredes internas do forno não refletem perfeitamente a radiação, em cada reflexão uma parte da radiação é absorvida. Consequentemente, após muitas reflexões, a quantidade de radiação que consegue escapar pela abertura é muito pequena. O material excitado irradia energia de uma forma constante, que mina da janela, podendo ser aplicado em processos de calibração de pirômetros.

Fontes de Erro de leitura de Detetores de Radiação: ao propagar-se por um meio material, a onda elétromagnética perde energia, havendo redução de intensidade do sinal quando este chega ao detector de radiação. Geralmente o caminho óptico consiste de algum gás e várias janelas, lentes ou espelhos para focalizar a radiação ou proteger elementos sensíveis.

4.4.1.2) Pirômetros Ópticos: Os pirômetros óticos medem temperatura por comparação: eles selecionam uma faixa específica da radiação visível (geralmente o vermelho) e compara com a radiação de uma fonte calibrada. A lente objetiva é focalizada de modo a formar uma imagem do objeto no plano do filamento da lâmpada; a ocular é focalizada sobre o filamento. Ambas as lentes estão simultaneamente em foco, com o filamento do pirômetro atravessando a imagem da fonte de radiação.

A energia radiante é medida por comparação fotométrica da claridade relativa de um objeto de temperatura desconhecida com uma fonte de brilho padrão, como um filamento de tungstênio. A comparação da claridade é feita pelo observador e é dependente da extrema sensibilidade do olho humano e a diferença de claridade entre duas superfícies da mesma cor.

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Nos pirômetros ópticos modernos, a comparação de claridade é feita por dois métodos:

• Variando-se a corrente através do filamento da fonte padrão até que sua claridade se iguale àquela do objeto medido;

• Variando-se opticamente a claridade observada da imagem do objeto, até que se iguale à do filamento da lâmpada padrão, enquanto se mantém constante a corrente através da lâmpada

Principais aplicações dos pirômetros ópticos: são aplicados em laboratórios e indústrias para medir temperaturas acima de 750o C; industrialmente são usados para medidas inacessíveis como fusão de metais, interiores de fornos, temperaturas de superfícies e filamentos incandescentes; processos de calibração para pirômetros de radiação e termopares com tubos protegidos.

CAPÍTULO 05

5) SENSOR DE NÍVEL

RESUMO:

Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores de nível que enviam sinais discretos e proporcionais.

VOCÊ SABIA:

Que é possível medir o nível de um determinado reservatório através de um medidor de pressão?

Medir o nível de alguma substância, significa quantificar referências por meio de monitoramento contínuo ou discreto com o objetivo de avaliar e controlar volumes em tanques ou recipientes.

5.1) SENSORES DE NÍVEL UTILIZADOS SOMENTE PARA MONITORAMENTO

Existem sensores que servem somente para monitoramento , ou seja não exercem controle sobre o processo, são os medição por visores de nível e por bóias

5.1.1) Monitoração do nível por visores: Para esse tipo de medição, usam–se elementos de diferentes formas, cada uma apropriada para cada aplicação. Geralmente esse elemento é composto por uma janela de vidro resistente ao impacto, pressão, temperatura e à ação de ácidos corrosivos. É transparente e pode ser montada

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diretamente na parede do reservatório, ou externamente ao reservatório, geralmente possui uma escala de medição. Quando se utiliza o método externo, o medidor usufrui de válvulas de bloqueio, suspiro e dreno, desse modo a sua manutenção e substituição são feitas de melhor forma.

5.1.2) Monitoração do nível por bóias: Este sistema baseia-se na altura do flutuador colocado na superfície da substância a ser medida .

5.2) SENSORES DE NÍVEL DISCRETOS

5.2.1) Boia: O sistema de controle de nível na caixa d`agua em nossas residências é o sistema de controle de nível mais simples que existe .

Existem também os Medidores com bóia que ao invés de controlar uma válvula , exerce ação sobre uma chave elétrica , que pode ser usada para controlar uma bomba elétrica ou um outro componente qualquer .

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5.2.2) Chave de nível por eletrodo: Uma fonte de energia elétrica tem uma de suas saídas ligada a parede do reservatório , e a outra está ligada um relé ( poderia ser uma lâmpada ) , quando o eletrodo entra em contato com o líquido , através do líquido (que tem de ser condutor) passa corrente elétrica que fará o relé ser ligado .

5.2.3) Medição por sensor de contato: O sistema de barreira de ar é aplicado basicamente para o controle de nível mínimo e máximo, ou seja, age como chave de nível . Trata-se de um circuito eletropneumático, dotado de um sensor que ao ser alimentado por uma conexão P emite por meio desse sensor em direção do fluido, um fluxo de ar a uma determinada pressão. Esse sensor é normalmente alojado em um tubo de imersão.

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5.3) SENSORES DE NÍVEL DE CONTROLE PROPORCIONAL

5.3.1) Medição por contatos de Eletrodos: Basicamente composto por duas hastes metálicas colocadas dentro do reservatório separadas uma da outra e ligadas a uma fonte de energia elétrica, onde será monitorado o nível de corrente elétrica consumida, quanto maior for o nível maior será a corrente consumida pela fonte .

5.3.2) Medição por Unidade de grade: É um mecanismo de medição por transmissão de momento de torção. Consiste em anéis metálicos, ligados por hastes, formando um dispositivo cilíndrico vertical. As forças são transmitidas por intermédio de um tubo torque a um relé pneumático para transmissão a um instrumento de leitura ou controlador.

Este mecanismo pode ser utilizado somente em medição de nível de sólidos. Quando a grade encontra-se toda expandida (nível do sólido abaixo da grade), a força peso F atuante na extremidade no braço de alavanca é máxima, ou seja, momento de torção máximo. Conforme o nível de sólidos aumenta no recipiente, os anéis metálicos da grade passam a repousar sobre o sólido, diminuindo assim a força peso atuante na alavanca.

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5.3.3) Medição por Capacitância: Esta medição é um sistema de medição com larga aplicação. Com esse sistema é possível efetuar a medição contínua do nível de líquidos e sólidos, tendo seu princípio de funcionamento baseado no funcionamento de um capacitor cilíndrico.Um capacitor cilíndrico consiste em dois cilíndros concêntricos.

5.3.4) Medição de nível por pressão: Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:

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5.3.5) Medição de nível por borbulhamento: Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

5.3.6) Medição de nível por radiação: Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em

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qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo.

Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

5.3.7) Medição de nível por ultra- som: O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz.

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).

5.3.8) Medição de nível por radar: Possue uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta frequencia à superfície a ser detectada.

A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.

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CAPÍTULO 06

6) SENSOR DE PRESSÃO

RESUMO:

Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores de pressão que enviam sinais discretos e proporcionais.

VOCÊ SABIA:

Que devido a pressão atmosférica da Lua ser 1/6 da pressão atmosférica da Terra, é mais fácil se movimentar saltando do que andando?

6.1) ESCALAS DE PRESSÃO

6.1.1) Pressão Atmosférica: É a pressão exercida pelo peso da camada de ar existente na atmosfera terrestre. A pressão atmosférica é medida em um barômetro.

6.1.2) Pressão relativa ou manométrica: É a pressão medida tomando-se como referência a pressão atmosférica local, ou seja, o elemento sensor mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local.

6.1.3) Pressão absoluta: É a pressão medida acima do vácuo absoluto, isto é, a soma da pressão atmosférica mais a pressão relativa.

6.1.4) Pressão diferencial: Quando um sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica ou o vácuo absoluto, então essa pressão é conhecida como pressão diferencial. Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, pressão, etc.

6.2) SENSORES DE PRESSÃO PARA MONITORAMENTO

6.2.1) Medição da Pressão Atmosférica: Dois instrumentos são mais usados para medir a pressão atmosférica usualmente: Barômetro de mercúrio e Barômetro Aneroid (sem fluido).

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6.2.2) Medidores de Pressão Mecânicos: Medidores de pressão mecânicos utilizam a deformação de um elemento elástico para indicar o valor da pressão aplicada sobre ele. Estes medidores podem ser divididos em três categorias: Tubos de Bourdon, Diafragmas Metálicos e Foles

6.2.2.1) Manômetro com Selagem Líquida: Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, viscosos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura e/ou radioativos, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável pois o Bourdon não é adequado para essa aplicação, seja em função dos efeitos da deformação proveniente da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos ou seja pelo ataque químico de fluidos corrosivos.

Nesse caso, a solução é recorrer a utilização de algum tipo de isolação para impedir o contato direto do fluido do processo com o Bourdon.

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6.2.2.2) Manômetro tipo fole: Fole é um dispositivo que possui ruga no círculo exterior que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. Como a resistência à pressão é limitada, é usado para baixa pressão.

6.2.2.3) Manômetro Padrão: Os manômetros utilizados como padrão devem ter precisão superior em relação aos manômetros que serão calibrados.

De acordo com as normas de medição, obriga-se a utilizar instrumentos padrões que foram aprovados em inspeção.

Dois tipos de manômetros foram aprovados como padrão:

• Manômetro tipo coluna, e

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6.2) SENSORES DE PRESSÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO DISCRETO

6.2.1) Pressostatos: O pressostato é um dispositivo eletromecânico que recebe um sinal de pressão e o compara com sua escala interna. Após esta comparação, efetua a ação de ligar ou desligar o seu relê interno.

Podem ser divididos em duas categorias em função de sua aplicação: controle ou proteção.

6.3) SENSORES DE PRESSÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO CONTÍNUO

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Transmissor de Pressão HPT100

► Alta confiabilidade

► Calibração em qualquer unidade de pressão ► Fácil instalação

► Montagem compacta

► Para pressões de 3,5 bar até 350 bar

► Fornece sinais de saída de 0 a 10V e de 4 a 20 mA

Aplicações:

► Instalação em máquinas

► Controle de processos industriais

► Refrigeração, ventilação, aquecimento, ar condicionado ► Estações de tratamento de águas

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Transmissor de Pressão TM25

► Possibilidade de calibração em qualquer unidade de pressão ► Grande variedade de conexão ao processo

► Possibilidade de selo para alimentícia ► Baixa histerese e vida útil prolongada ► Elemento piezoresistivo

► Imunidade a ruídos e interferências eletromagnéticas ► Para pressões de 0 a 1000 bar

► Fornece sinais de saída de 0 a 10V e de 4 a 20 mA

Aplicações

► Instalação em máquinas

► Controle de processos industriais

► Refrigeração, ventilação, aquecimento e ar condicionado ► Monitoração ambiental

► Indústria alimentícia

► Sistemas de testes e calibração ► Hidráulica

► Pneumática

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CAPÍTULO 07

7) SENSOR DE FORÇA E TORQUE

RESUMO: O desenvolvimento dos métodos de medições de força é recente na história da instrumentação. Seu surgimento basicamente se deu em função da necessidade de desenvolver máquinas confiáveis estruturalmente que pudessem atender à produção em massa. Além do mais, principalmente por questões econômicas, a antiga prática de superdimensionamento dos componentes estruturais e as análises puramente empíricas por ensaio e erro passaram a ser impraticáveis nos setores mais avançados da industria.

VOCÊ SABIA

Que a pesquisa científica desenvolvida pela física, Eletrônica e Mecânica Aplicada resultou no surgimento da extensometria que tornou capaz a determinação de esforços experimentais, sob condições reais de serviço

7.1) DEFINIÇÃO E CONCEITOS BÁSICOS

Em 1678, Robert Hooke estabeleceu a relação que existe entre tensões e deformações em corpos submetidos a solicitações mecânicas. Se o material for isótropo (apresenta a mesma propriedade física em todas as direções) e homogêneo e seu limite elástico não for superado, então verifica-se que a relação entra tensão e a deformação é linear. Baseado nesse princípio pode definir-se extensometria da seguinte forma:

“Extensometria é o método que tem por objetivo a medida das deformações superficiais dos corpos” O conceito de deformação é expresso mediante uma relação dimensional:

ε=SL/L

Em que:

ε– deformação axial específica;

SL- variação do comprimento; L- comprimento inicial.

Mas o estudo da extensometria não se limita apenas à relação de tensão e deformação dos materiais realizados por Robert Hooke. Outro grande cientista Willian Thomson, anos mais tarde ao realizar estudos experimentais com condutores de cobre e ferro submetidos a solicitação mecânica de tração verificou a resistência elétrica que percorria esses condutores era uma função da constante de resistividade elétrica do material e das variáveis comprimento e seção transversal.

R=ρL/A

onde :

R- resistência elétrica do condutor

ρ - resistividade do condutor

L- comprimento do condutor A- seção transversal do condutor

7.2) STRAIN GAUGES

Dentre os diferentes procedimentos existentes para converter deformações mecânicas em sinais elétricos proporcionais, o mais conhecido é o que utiliza elementos cuja resistência elétrica varia em função de pequenas deformações longitudinais. Esses elementos são pequenas células extensométricas afixadas na superfície do corpo de prova, formado um conjunto solidário e recebem o nome de Strain gauges.

(37)

Bandas para esforços radiais e tangenciais

A – Banda para medidas de esforço tangencial.

B – Banda para medidas de esforços radial e tangencial. C – Banda para medidas de esforço radial.

7.2.1) Método Direto: Consiste em medir a diferença de potencial presente nos bornes de saída da ponte, com ajuda de um voltímetro de precisão. Este processo exige amplificação prévia do sinal e uma fonte de exitação

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7.2.2) Método de zero: Consiste em estabelecer o equilíbrio, seja variando as resistências nos ramos da ponte ou bem uma tensão oposta á de equilíbrio. Esse procedimento é também conhecido como método de oposição.

(39)

7.3) TRANSDUTORES DE FORÇA

São equipamentos eletromecânicos que medem cargas estáticas ou dinâmicas, nas situações de grandes deslocamentos, e as convertem em sinais elétricos para posterior análise.

O principio de funcionamento dos transdutores de força ou carga é baseado na deformação que sofre um material quando submetido a aplicação de uma força. Ou seja, por meio de células como strain-gauges, cristais piezorresistivos ou piezelétricos, convenientemente dispostos dentro de um pequeno conjunto mecânico, procede-se à medida da deformação de um elemento elástico interno e por meios eletrônicos processa-se a conversão do sinal elétrico em força ou carga.

7.3.1) Transdutores Indutivos LVDT ( Linear Variable Differencial Transformer ): Os transdutores do tipo indutivo têm como seu princípio de funcionamento uma bobina interna que possui dois secundários idênticos

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conectados em circuito série-oposto e um núcleo móvel. Quando a força é aplicada sobre o pino, o núcleo movimenta-se no interior da bobina, variando a indutância mútua de cada secundário em relação ao primário.

Há cerca de 50 anos, a tecnologia LVDT era relativamente desconhecida excepto para alguns especialistas em instrumentação de controle de processos.

Através de esforços pioneiros a Schaevitz conseguiu fazer esta tecnologia evoluir desde uma curiosidade raramente usada até um meio fundamental para a medição de deslocamentos.

Hoje em dia os LVDT são largamente usados como sensores de medição e controlo sempre que os

deslocamentos de poucos milimetros a vários metros se possam medir directamente, ou outras grandezas fisicas como força ou pressão possam ser convertidas em deslocamento linear.

Devido à sua capacidade de realizar medições extremamente precisas e com grande repetibilidade nos ambientes mais hostis, os LVDT da Schaevitz tornaram-se na escolha de eleição para centenas de indústrias com aplicações criticas.

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6.4) Torquímetro

Utilizamos quando é necessário medir o aperto de um parafuso ou porca, a ferramenta indicada é o torquímetro. O uso do torquímetro evita a formação de tensões e a conseqüente deformação das peças em serviço.

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CAPÍTULO 08

8) SENSOR DE PRESENÇA

RESUMO: RESUMO:

Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores ópticos e de presença. Neste capitulo serão apresentados diversos tipos de sensores ópticos e de presença. VOCÊ SABIA

VOCÊ SABIA

Os satélites da família SPOT operam com sensores ópticos, em bandas do visível, infravermelho próximo Os satélites da família SPOT operam com sensores ópticos, em bandas do visível, infravermelho próximo e infravermelho médio.

e infravermelho médio.

8.1) SENSORES ÓPTICOS

Sensores Ópticos, também conhecidos como fotoelétricos, baseiam-se na emissão de um feixe de luz, o Sensores Ópticos, também conhecidos como fotoelétricos, baseiam-se na emissão de um feixe de luz, o qual é recebido por um elemento fotossensível.

qual é recebido por um elemento fotossensível.

Sistema por Barreira Sistema por Barreira

Sistema por Difusão Sistema por Difusão

Sistema Refletivo Sistema Refletivo

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Régua Óptica Régua Óptica

Encoders Encoders

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Fibra Óptica Fibra Óptica

8.2) SENSORES DE PROXIMIDADE

Existem diversos tipos de sensores de proximidade os quais devem ser selecionados de acordo com o Existem diversos tipos de sensores de proximidade os quais devem ser selecionados de acordo com o tipo de aplicação e do material a ser detectado.