LEQ 2 Instrumentação

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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA QUÍMICA 2

Vol. 1, pp. 1-9

INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS

INTRODUÇÃO

Instrumentos de medidas de variáveis operacionais de processos industriais têm vasta aplicação, recorrendo, em sua grande maioria, a princípios físicos. Variáveis intensivas e extensivas são objetos de medidas e dão origem ao desenvolvimento de uma gama de instrumentos utilizados industrialmente.

Aspectos práticos dessas medidas, e da utilização dos correspondentes equipamentos são abordados no presente tema experimental, na ordem dos seguintes detalhamentos:

- medidas de temperatura com termômetros, termopares, pirômetros, termorresistores,...; - medidas de pressão com manômetros, transdutores;

- medidas de vazão com medidores de vazão, rotâmetros, fluxímetros,....;

FUNDAMENTOS

1. Medidas de temperatura

A temperatura, como variável intensiva, caracteriza uma medida com aplicação em processos envolvendo efeitos térmicos, servindo aos seus monitoramentos e controles.

Variados fenômenos, relacionados aos efeitos térmicos, podem ser utilizados na medição de temperatura, dentre os quais destacam-se:

- variação de volume; sistemas termais com líquido ou termômetro de líquido em metal, de gás ou termômetro de gás, de vapor ou termômetros acionados a vapor;

- variação da resistência em um condutor; termômetro de resistência,termissor; - eletromotriz criada na união de dois metais distintos; termopares;

- intensidade da radiação emitida por um corpo; pirômetro ótico, pirômetro de radiação. A opção por um deles far-se-á de acordo com o tipo de aplicação, pela precisão do resultado, segundo a velocidade de captação da temperatura, distância entre o elemento de medida e o receptor e pelo tipo de instrumento indicador, registrador ou controlador.

2. Medidas de vazão

A vazão de um fluido é medida pela quantidade de material que passa por uma

determinada seção em um certo intervalo de tempo. Existem vários métodos para se medir a vazão, a escolha por um deles far-se-á levando em conta os seguintes fatores: natureza do material, volume, precisão e controle exigido. Os principais métodos de medida de vazão

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empregados na indústria são: de área variada, eletromagnéticos, de massa, de deslocamento positivo e de canal aberto:

- de área variada, envolvendo medidores de vazão que utilizam uma restrição à passagem do fluido para gerar uma diferença de pressão como variável medida. A partir desta diferença de pressão calcula-se a velocidade do fluido utilizando o teorema de Bernoulli (Equação 1) e a equação da continuidade (Equação 2), ou seja:

   v g z p 2 2  



0 (1) sendo:

 = massa específica do fluido [kg/cm3]

v = Diferencial de velocidade do fluido [m/s]

p = Diferencial de pressão [kg/cm2]

z = Diferencial da altura da tubulação [m] g = Aceleração da gravidade [m/s] 0 2 2 1 1   v A v A (2)

em que: A = área da seção transversal [m2]

O cálculo da vazão volumétrica é feito multiplicando-se a velocidade pela área da tubulação e para vazão mássica, multiplica-se a vazão volumétrica pela densidade do fluido.

Para se criar um diferencial de pressão, utilizam-se restrições como um tubo de Venturi, um bocal de fluxo, uma placa de orifício ou um tubo de Pitot.

- medidores de pressão diferencial que medem a vazão baseada na pressão diferencial gerada por uma restrição. Os medidores de pressão diferencial podem ser desde um simples tubo em “U” a medidores indutivos ou capacitivos. A relação entre a pressão diferencial e a vazão é dada pela equação básica descrita abaixo.

Q



K H

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sendo:

Q = Vazão

K = Constante que depende das condições de cada instalação H = Queda de pressão ou pressão diferencial

- medidores mecânicos e elétricos, que utilizam os elementos medidores de vazão através da diferença de pressão, acoplados a sistemas elétricos ou mecânicos, devendo indicar, registrar e/ou integrar estas medidas. São medidores de pressão diferencial, calibrados para indicarem vazão;

- medidores de área, rotâmetros, compostos de um tubo cônico em vidro com flutuador esférico cilindro com base cônica. O fluido circula da base ao alto do rotâmetro deslocando o flutuador para cima, até uma posição onde ocorrerá o equilíbrio entre o peso do flutuador e as

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forças de arraste e de empuxo do fluido sobre o flutuador, medindo-se em escala graduada fixada no tubo de vidro; medidor de cilindro e pistão, constituído por um cilindro com uma série de furos na parede dispostos de forma helicoidal; operando-se de modo que à medida que o fluido desloca o pistão para cima, aumenta o número de furos e, consequentemente, a área de passagem do fluido, até que a pressão no interior do cilindro se equilibre com o peso do pistão;

- medidores eletromagnéticos, opera-se com um campo magnético aplicado no sentido perpendicular à tubulação por onde circula o fluido, induzindo uma tensão (F.E.M.), que é expressa segundo a lei de Faraday,

e



BDv

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em que:

e = FEM induzida no líquido [Weber / s]. B = indução magnética, [Weber / m2]. D = diâmetro interno da tubulação, [m].

v = velocidade média do fluxo de fluido, [m/s].

F.E.M. com medição é feita por dois eletrodos situados na parede da tubulação, acoplados a um indicador eletrônico, voltímetro ou potenciômetro; medidor utilizado em fluidos que apresentem uma boa condutividade;

- medidores de vazão mássica, de contato direto com o fluido, dos tipos pistão ou diafragma, externos à tubulação, do tipo eletrotérmico; medidor eletrotérmico, envolvendo elevação da temperatura do fluido sujeito a efeitos térmicos através das paredes de tubo; elementos sensores são localizados à montante e à jusante, indicando a temperatura inicial e final do fluido; como princípio tem-se que a diferença de temperatura aumenta com o aumento do fluxo sendo proporcional à massa que circula pelo tubo;

- medidores de deslocamento positivo, utilizam um volume fixo conhecido, que enche e esvazia alternadamente impulsionado pelo próprio fluido a uma certa frequência, e dá a vazão do fluido, pela razão volume deslocado em cada ciclo pelo tempo do ciclo;

- medidores de canal aberto, aplicado com grandes variações de vazão, sendo largamente empregado na irrigação e na medição da vazão de dejetos; tipos principais vertedouros e calhas de Parshall.

EXPERIMENTAL

1.Medidas de temperatura

Nesta experiência será medida a F.E.M. (em mV) gerada por dois termopares mergulhados em dois banhos com temperaturas diferentes, conectados entre si, mostrando os efeitos Thompsom e Peltier (Figura 1).

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Figura 1– Montagem experimental para calibração de

medidores de temperatura.

1.1. MATERIAL

Tabela 1 – Materiais e equipamentos

Material Quantidade

Vidraria

Recipiente para banho quente 01

Recipiente para banho frio 01

Outros materiais

Aquecedor ou banho termostático 01

Termopar 02

Termômetro de mercúrio 01

Termômetro digital 01

Medidor de temperatura digital 01

Multímetro digital 01

Fiação elétrica para conexão 01

1.2. PROCEDIMENTO

1. Proceder a instalação da montagem experimental que está apresentada na Figura 2.

2. Prender um termopar, o aquecedor e o termômetro de vidro no suporte e colocá-los no interior do recipiente com água.

3. Conectar o termopar a um medidor de temperatura digital.

4. Colocar o gelo picado no interior do outro recipiente e introduzir o outro termopar e um termômetro digital no mesmo.

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6. Conectar os terminais de ferro ao multímetro digital.

7. Ler e anotar a temperatura do termômetro de mercúrio, do digital e a indicação do multímetro.

8. Ligar o aquecedor.

9. Anotar os valores do termômetro de mercúrio e a diferença de potencial (DDP) no milivoltímetro a cada variação de cinco graus no termômetro digital.

1.3 APLICAÇÃO DE MEDIDAS DE TEMPERATURA

Os termopares calibrados podem ser utilizados para medidas absolutas de temperatura em sistemas térmicos. Na Figura 2 está representado o esquema de uma experiência de aplicação de variação de temperatura com a pressão, medida esta realizada com manômetro em U de mercúrio. A partir das medidas é possível construir-se uma escala de temperatura.

Figura 2 - Medição de temperatura e pressão de um gás.

1.4. MATERIAL

Material Quantidade Vidraria Kitassato de 250mL 01 Outros materiais Mangueira de silicone Termopar 01 Manômetro em U 01 Indicador de temperatura 01 Banho termostático 01

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1.5 PROCEDIMENTO

1. Conectar a mangueira na saída lateral do kitassato e no manômetro em U. 2. Ligar o banho termostático e aumentar a temperatura lentamente.

3. Anotar simultaneamente a temperatura e a pressão medidas. 4. Construir um gráfico P x T e encontrar o zero absoluto.

2. Medidas de Vazão

2.1. Medidas de vazão de gases.

O sistema da Figura 3 é utilizado para medidas de vazão de diferentes gases através dos rotâmetros. As medidas de vazão serão feitas com três gases de densidades diferentes. Os rotâmetros devem ser calibrados para cada um deles.

Figura 3 – Montagem experimental para calibração de rotâmetros para gases e

correspondentes medidas.

2.2. MATERIAL

Material Quantidade

Reagentes gasosos

Cilindro de oxigênio 01

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Cilindro de nitrogênio 01

Vidraria

Fluxímetro 10/20

Rotâmetro p/gás 01

Reguladores de pressão p/ cilindros 10 Tubos e conexões

Válvulas de regulagem para gases

Cronômetro 01

2.3. PROCEDIMENTO

1. Selecionar um fluxímetro de volume adequado para a vazão escolhida. Colocar um pouco da solução de detergente no fluxímetro e acoplar o fluxímetro na saída da tubulação.

2. Abrir a válvula de regulagem do cilindro e ajustar uma pressão de saída. 3. Anotar a medida no rotâmetro.

4. Medir a vazão com o auxílio do fluxímetro: mede-se o tempo necessário para uma bolha de sabão percorrer o volume fixo do fluxímetro. Fazer 5 medidas na mesma vazão.

5. Ajustar uma nova vazão e repetir as medidas.

2.4. Medidas de vazão de líquidos.

O sistema experimental destacado na Figura 4 é utilizado para medidas de vazão de líquidos.

Figura 4 – Montagem experimental para calibração

de rotâmetros para líquidos e correspondentes medidas.

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2.5. MATERIAL

Material Quantidade

Vidraria

Proveta graduada 03

Mangueiras de borracha

Rotâmetros para líquidos 03

Cronômetro 01

2.6. PROCEDIMENTO

1. Conectar a mangueira na entrada do rotâmetro e na torneira, conectar outra mangueira na saída do rotâmetro.

2. Selecionar uma proveta de volume adequado para a escala das vazões a serem medidas. 3. Abrir a torneira e ajustar o cursor num ponto do rotâmetro. Anotar esta medida.

4. Com o auxílio da proveta, medir a vazão na saída do rotâmetro, cronometrando o tempo gasto para atingir o volume total da proveta. Fazer 5 medidas na mesma vazão.

5. Variar a vazão e repetir as medidas até completar 5 vazões diferentes. 6. Repetir o procedimento para o outro rotâmetro.

7. Fazer as mesmas medidas utilizando um líquido diferente da água.

RESULTADOS

1. Medidas de temperatura

Traçar as curvas de temperatura no termômetro digital x DDP; temperatura no termômetro de vidro x DDP; temperatura no termômetro digital x temperatura no termômetro de vidro.

2. Medidas de vazão de gases e líquidos

Utilizando os gases O2, N2 e H2 para 5 diferentes vazões, construir as curvas de calibração.

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REFERÊNCIAS

BENEDICT, R. P. Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurements, 3ª edição, John Wiley & Sons, Nova Iorque, 1984.

FOX, R. W.; MCDONALD, A. T. Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara, 1995