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Instrumentao e Automao
Engenharia Mecatrnica Turma 08 5INAE-NT1
Instrumentao e Automao Ter (18:35 as 21:20) Sala 305
FACULDADE REA 1 Centro Baiano de Ensino Superior
Grupo DeVry
Salvador-Ba
2011.2
Professor
Geraldo Natanael
Aprendizagem ativa com viso gerencial em controle de processo
Medio de Temperatura
Medio de temperatura - Conceitos 3
Medidores de temperatura: os mais comuns so os sensores do tipo termopares, os termmetros baseados em bimetal e as termorresistncias, que
servem para a transmisso do sinal de temperatura atravs dos sistemas de controle
de processos. Podemos classificar os instrumentos de medio de temperatura em
dois nveis:
1 nvel: so instrumentos em que o sensor est em contato com o meio a ser medido.
Termmetros dilatao de slido.
Termmetros par termo eltrico.
Termmetros resistncia eltrica.
Termmetros dilatao de lquido ou gs
2 nvel: o elemento sensvel no est em contato com o meio a ser medido.
Pirmetros de radiao total.
Pirmetros de radiao parcial (monocromticos).
Sensores e Medidores - Bimetlicos 4
Sensores e medidores baseados no princpio bimetlico.
Princpio de funcionamento: a dilatao linear dos metais quando esses submetidos ao calor,cada metal possui um determinado coeficiente de dilatao
linear.
formado por uma lmina composta de dois metais diferentes.
Os coeficientes de dilatao linear dos dois metais so diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatao linear dos metais no sendo iguais,
faz com que a lmina se curve.
O encurvamento da lmina proporcional temperatura aplicada na barra.
Sensores e Medidores - Bimetlicos 5
Alarme contra incndio:
Uso de lminas bimetlicas em aparelhos que efetuam automaticamente a abertura e o fechamento de um circuito eltrico onde a comutao pode
ocorrer para valores preestabelecidos de temperatura.
Sensores e Medidores - Bimetlicos 6
Interruptores de pulsao automtica (intermitentes):
O ligar e desligar de uma ou mais lmpadas so comandados por uma lmina bimetlica aquecida por um resistor de resistncia R em srie com a
lmpada.
Exemplo: os termo-reguladores
ou termostatos e os interruptores
automticos de sobrecarga
funcionam sob este princpio
bsico das lminas bimetlicas.
Exemplo: nas decoraes de natal
mediaes de rvores ante pequenas
lmpadas, uma das lmpadas usa o prprio
calor dissipado em seu funcionamento para
acionar um interruptor bimetlico, em srie.
Sensores e Medidores - Bimetlicos 7
Termmetro: o mais usado o de lamina helicoidal, e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual fixado um eixo que por sua vez recebe
um ponteiro que se desloca sobre uma escala.
Normalmente usa-se o invar (ao com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatao e o lato como metal de alto coeficiente de dilatao.
A faixa de trabalho dos termmetros bimetlicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear.
Possui exatido na ordem de +/- 1%.
Na prtica a lamina bimetlica
enrolada em forma de espiral ou
hlice, o que aumenta bastante a
sensibilidade.
Sensores e Medidores - Bimetlicos 8
Sensor de temperatura - Termopar 9
Sensor baseado em termopar.
Termopar: se baseiam na propriedade onde dois metais dissimilares unidos em uma juno, chamada de junta quente, geram uma fora eletromotriz, de
alguns milivolts, na outra extremidade submetida a uma temperatura diferente da
primeira juno.
A medio de temperatura feita pela obteno de uma fora eletromotriz gerada quando dois metais de natureza diferente tem suas extremidades unidas e
submetidas temperaturas distintas.
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Isto ocorre devido aos metais distintos possurem densidades de eltrons livres especficos e quando unidos em suas extremidades provocar migrao desses
eltrons do lado de maior densidade para o de menor densidade ocasionando
uma diferena de potencial entre os dois fios metlicos.
A diferena de potencial no depende nem da rea de contato e nem de sua forma, mas sim da diferena de temperatura entre as extremidades denominadas
juno quente e fria. Esses sensores so chamados de termopares.
Sensor de temperatura - Termopar
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Efeito Seebeck: foi descoberto em 1821 pelo fsico alemo T. J. Seebeck quando ele observou em suas experincias que em um circuito fechado formado
por dois fios de metais diferentes ocorre uma circulao de corrente enquanto
existir uma diferena de temperatura entre suas junes, e que sua intensidade
proporcional diferena de temperatura e natureza dos metais utilizados.
Em 1887, Le Chatelier (fsico Francs), utilizou pela primeira vez na prtica essa descoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e
platina-rhodio a 10% para medir temperatura. Esse termopar ainda hoje
utilizado, em muitos laboratrios, como padro de referncia.
Sensor de temperatura - Termopar
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Efeito Peltier: em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa,
produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junes variam em
uma quantidade no inteiramente devido ao efeito Joule. A esse acrscimo de
temperatura foi denominado efeito Peltier.
O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno e no depende da temperatura de outra juno.
O efeito Peltier no tem aplicao prtica nos termopares e sim na rea de refrigerao com a utilizao de semicondutores especiais.
Sensor de temperatura - Termopar
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Efeito Thomson: em 1854, Thomson concluiu, que a conduo de calor ao longo dos fios metlicos de um termopar, que no transporta corrente, origina
uma distribuio uniforme de temperatura em cada fio e, quando existe corrente,
modifica-se em cada fio a distribuio da temperatura em uma quantidade no
somente devido ao efeito Joule.
A essa variao adicional na distribuio da temperatura denominou-se efeito Thomson.
Termopar Convencional (Nu): o tipo mais simples de termopar consiste em unir dois fios de diferentes naturezas por uma de suas extremidades.
Sensor de temperatura - Termopar
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Mtodo de confeco dos termopares: onde a, b e c indicam a forma de juno de medio.
Sensor de temperatura - Termopar
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Termopar com Isolao Mineral: consiste de 3 partes bsicas, sendo um ou mais pares de fios isolados entre si, um material cermico compactado para
servir de isolante eltrico e uma bainha metlica externa. Garante maior
estabilidade e resistncia mecnica.
Sensor de temperatura - Termopar
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Sensor de temperatura - Termopar
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Sensor de temperatura - Termopar
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Sensor de temperatura - Termopar
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Sensor de temperatura - Termopar
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Sensor de temperatura - Termopar
Poos: so recomendados
para a proteo de sensores
sujeitos a ambientes
agressivos. Eles so usinados
interna e externamente a
partir de barras de metal, o
que garante maior resistncia
e durabilidade.
Sensor de temperatura - Termorresistncia 22
Sensor baseado em termorresistncia.
Termorresistncias (RTD): usam o princpio da alterao da resistncia eltrica dos metais com a temperatura.
Os metais mais usados so o fio de platina, Pt100, e o de nquel, Ni120, assim chamados por apresentarem resistncias de 100 e 120 ohms,
respectivamente, temperatura de zero grau Celsius.
O Pt100 opera na faixa de -200 a 850C, enquanto o Ni120, -50 a 270C.
Sensor de temperatura - Termmetro 23
Sensor baseado na dilatao de lquido (termmetro).
Termmetros de dilatao de lquidos: baseia-se na lei de expanso volumtrica de um lquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.
Termmetro Lquido - vidro 24
Termmetros de dilatao de lquido em recipiente de vidro: constitudo de um reservatrio, cujo tamanho depende da
sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seo, mais
uniforme possvel fechado na parte superior.
O reservatrio e parte do capilar so preenchidos com lquido.
Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termmetro no caso da temperatura ultrapassar seu
limite mximo.
Aps a calibrao, a parede do tubo capilar graduada em graus ou fraes deste, a medio de temperatura se faz pela
leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna
lquida.
Lquidos mais usados: mercrio, tolueno, lcool e acetona. Nos termmetros industriais, o bulbo de vidro protegido por
um poo metlico e o tubo capilar por um invlucro metlico.
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LQUIDO PONTO DE
SOLIDIFICAO
(C)
PONTO DE
EBULIO (C)
FAIXA DE USO
(C)
Mercrio -39 +357 -38 a 550
lcool Etlico -115 +78 -100 a 70
Tolueno -92 +110 -80 a 100
O termmetro de mercrio o mais comum de
todos, que consiste basicamente num bulbo cheio de
mercrio ligado a um tubo capilar, ambos contidos
num recipiente de vidro de forma tubular e graduado.
Ao ser aquecido e dilatar-se, o mercrio sobe pelo
capilar. O contrrio ocorre ao ser resfriado.
mais comum em laboratrios ou em indstrias, com
a utilizao de uma proteo metlica.
Termmetro Lquido - vidro
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Termmetro de dilatao de lquido em recipiente metlico: o lquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata,
deformando um elemento extensvel (sensor volumtrico).
Bulbo: as dimenses variam
de acordo com o tipo de
lquido e principalmente com
a sensibilidade desejada.
LQUIDO
FAIXA DE
UTILIZAO (C)
Mercrio -35 +550
Xileno -40 +400
Tolueno -80 +100
lcool 50 +150
Capilar: as dimenses so variveis,
sendo que o dimetro interno deve
ser o menor possvel, a fim de evitar
a influencia da temperatura ambiente,
porm no deve oferecer resistncia a
passagem do lquido em expanso.
Termmetro Lquido - metlico
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Capilar: o elemento usado o Tubo de Bourdon.
Materiais mais usados: bronze fosforoso, cobre - berlio , ao inox e ao carbono.
Termmetro Lquido - metlico
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Sensor baseado na presso de gs (termmetro).
Termmetros presso de gs: fisicamente idntico ao termmetro de dilatao de lquido, consta de um bulbo, elemento de medio e capilar de
ligao entre estes dois elementos.
O volume do conjunto constante e preenchido com um gs a alta presso.
Com a variao da temperatura, o gs varia sua presso conforme, aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medio
operando como medidor de presso.
A Lei de Gay-Lussac, expressa matematicamente este conceito:
Termmetro Gs
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As variaes de presso so linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante, sendo expresso pela frmula:
Termmetro Gs
Tipos de gs de enchimento
Gs Temperatura Crtica
Hlio ( He ) - 267,8 oC
Hidrognio ( H2 ) - 239,9 oC
Nitrognio ( N2 ) - 147,1 oC
Dixido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC
O gs mais utilizado o N2 e geralmente pressurizado com uma presso de 20 a 50 atm, na temperatura mnima a medir.
Sua faixa de medio vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido prpria temperatura crtica do gs e o superior proveniente do recipiente
apresentar maior permeabilidade ao gs nesta temperatura , o que acarretaria
sua perda inutilizando o termmetro.
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Sensor baseado na presso de vapor (termmetro).
Termmetros presso de vapor: sua construo bastante semelhante ao de dilatao de lquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton:
A presso de vapor saturado depende somente de sua temperatura e no de seu volume.
Portanto para qualquer variao de temperatura haver uma variao na tenso de vapor do gs liquefeito colocado no bulbo do termmetro e, em
conseqncia disto, uma variao na presso dentro do capilar.
A relao existente entre tenso de vapor de um lquido e sua temperatura do tipo logartmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de
temperatura em:
Termmetro Vapor
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Termmetro Vapor
Lquidos mais utilizados e seus pontos
de fuso e ebulio
Lquido Ponto de
Fuso (oC)
Ponto de
ebulio (oC)
Cloreto de
Metila
- 139 - 24
Butano - 135 - 0,5
ter Etlico - 119 34
Tolueno - 95 110
Dixido de
enxofre
- 73 - 10
Propano - 190 - 42
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ALVES, Jos L., Instrumentao, Controle e Automao de Processos. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
BEGA, E. A., Instrumentao Industrial, Editora Intercincia, (2003); FIALHO, A. B., Intrumentao Industrial: Conceitos, Aplicaes e Anlises, 2 ed., Editora Erica, (2004);
MIYAGI, P. E., Controle Programvel - Fundamentos do Controle de Sistemas a Eventos Discretos, Edgard Blcher, (1996); [629.89 M685C];
RIBEIR, Marco Antnio. Instrumentao - 8a Edio 1999 Tek Treinamentos Lta. CAMPOS, Mario Cesar M. M. & TEIXEIRA, Herbert C. G., Controles Tpicos de Equipamentos e Processos Industriais, So Paulo:Blucher, 2006.
CAPELLI, Alexandre. Automao Industrial - Controle do movimento e processos contnuos.
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao e fundamentos de medidas VOL.1 Editora: LTC
BRUSAMARELLO, Valner Joo. Instrumentao E Fundamentos De Medidas. Editora: Ltc
SIGHIERI. L.; NISHIARI, A; Controle automtico de processos industriais Instrumentao
Referncias Bibliogrficas
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http://www.instrumentacao.com - 02.07.09
http://www.levelcontrol.com.br - 02.07.09
http://www.cepa.if.usp.br
http://www.feiradeciencias.com.br
http://www.instrumentacao.net
Referncias Bibliogrficas
Instrumentao e Automao PE 5INAE 34
Prof Geraldo Natanael
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