Universidade do Sul de Santa Catarina UNISUL Curso: Tecn logo em Eletroeletr nica Disciplina: Instrumenta o Industrial Semestre curricular: 2005/A Professor: Edcarlo da Concei o

Apostila Instrumenta o industrial

Tubar o, Fevereiro de 2005.

Revis o 2

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1 - Introdu o Instrumenta o

INSTRUMENTA O a cincia que aplica e desenvolve tcnicas para adequa o de instrumentos de medi o, transmiss o, indica o, registro e controle de variveis fsicas em equipamentos nos processos industriais.

Nas indstrias de processos tais como siderrgica, petroqumica, alimentcia, papel, etc.; a instrumenta o responsvel pelo rendimento mximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elabora o do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferncias de energia no processo s o: PRESS O, NVEL, VAZ O, TEMPERATURA; as quais denominamos de variveis de um processo.

1.1 - Classifica o de Instrumentos de Medi o

Existem vrios mtodos de classifica o de instrumentos de medi o. Dentre os quais podemos ter:

Classifica o por: fun o sinal transmitido ou suprimento tipo de sinal

1.2 - Classifica o por Fun o

Conforme ser visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associa o desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma fun o.

Os instrumentos que podem compor uma malha s o ent o classificados por fun o cuja descri o sucinta pode ser liga na tabela abaixo.

INSTRUMENTO DEFINI O

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1.3 - Fun es de Instrumentos

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumenta o de acordo com a fun o que desempenham no processo.

Indicador: Instrumento que disp e de um ponteiro e de uma escala graduada na

qual podemos ler o valor da varivel. Existem, tambm, os indicadores digitais que mostram a varivel em forma numrica com dgitos ou barras grficas. A figura 1.3 ilustra dois tipos de indicadores.

Figura 1.3 Tipos de indicadores anal gico e digital

Registrador: Instrumento que registra a tra o contnuo ou pontos em um grfico.

Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4.

Figura 1.4 Alguns tipos de registradores Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma varivel no processo

atravs de um elemento primrio, tendo o mesmo sinal de sada (pneumtico ou eletr nico) cujo valor varia apenas em fun o da varivel do processo. A figura 1.5 mostra alguns transmissores tpicos.

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Figura 1.5 Transmissores de press o diferencial e de temperatura

Transdutor: Instrumento que recebe informa es na forma de uma ou mais

quantidades fsicas, modifica, caso necessrio, estas informa es e fornece um sinal de sada resultante. Dependendo da aplica o, o transdutor pode ser um elemento primrio, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e sada padronizados.

Figura 1.6 Tipos de transdutores

Controlador: Instrumento que compara a varivel controlada com um valor

desejado e fornece um sinal de sada a fim de manter a varivel controlada em um valor especfico ou entre valores determinados. A varivel pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente atravs do sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 1.7 Alguns tipos de controladores Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da

varivel manipulada de uma malha de controle.

Figura 1.8 Elementos finais de controle

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1.4.1. Transmissores

Os transmissores s o instrumentos que medem uma varivel do processo e a

transmitem, dist ncia, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combina o destes.

Existem vrios tipos de sinais de transmiss o: pneumticos, eltricos, hidrulicos e eletr nicos.

1.4.1.1. Transmiss o Pneumtica

Em geral, os transmissores pneumticos geram um sinal pneumtico varivel,

linear, de 3 a 15 psi (libras for a por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da varivel. Esta faixa de transmiss o foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associa o de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmiss o. Por exemplo: de 20 a 100 kPa.

Nos pases que utilizam o sistema mtrico decimal, utilizam-se as faixas de

0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema mtrico , aproximadamente, 5 % menor que o

sinal de 3 a 15 psi. Este um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma.

Note que o valor mnimo do sinal pneumtico tambm n o zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibra o e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmiss o.

Percebe-se que, se tivssemos um transmissor pneumtico de temperatura de range de 0 a 200 C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0 C e um sinal de sada de 1 psi, este estaria descalibrado.

Se o valor mnimo de sada fosse 0 psi, n o seria possvel fazermos esta compara o rapidamente. Para que pudssemos detect-lo, teramos de esperar um aumento de temperatura para que tivssemos um sinal de sada maior que 0 (o qual seria incorreto).

1.4.1.2. Transmiss o Eletr nica

Os transmissores eletr nicos geram vrios tipos de sinais em painis, sendo os

mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrep ncias nos sinais de sada entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos est o preparados para uma fcil mudan a do seu sinal de sada.

A rela o de 4 a 20 mA, 1 a 5 V est na mesma rela o de um sinal de 3 a 15 psi

de um sinal pneumtico.

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O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mnimo de 4 mA, oferece a vantagem tambm de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele est em seu valor mnimo.

1.4.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)

um sistema que combina o padr o 4 a 20 mA com a comunica o digital. um

sistema a dois fios com taxa de comunica o de 1200 bits/s (BPS) e modula o FSK (Frequency Shift Keying). O Hart baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existncia de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart s o as seguintes: Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunica o digital. Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumenta o anal gica. Disponibilidade de equipamentos de vrios fabricantes. As desvantagens s o que existe uma limita o quanto velocidade de

transmiss o das informa es e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).

1.4.1.4. Fieldbus

um sistema de comunica o digital bidirecional, que interliga equipamentos

inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10.

Este padr o permite comunica o entre uma variedade de equipamentos, tais

como: transmissores, vlvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribudo (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informa es a outros instrumentos para corre o de uma varivel: press o, vaz o, temperatura, etc.).

Uma grande vantagem a redu o do nmero de cabos do controlador aos instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios o suficiente para a interliga o de uma rede fieldbus.

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Figura 1.10 Sistema Fieldbus

1.5 - Sensores

Os sensores s o transdutores eletr nicos que geram um sinal de sada quando um objeto introduzido em seu campo de atua o.

Os sensores surgiram para auxiliar nas automatiza es de mquinas e equipamentos, substituindo as chaves de acionamento mec nico dando maior versatilidade e durabilidade s aplica es. 1.6 - Tipos de Sensores

- Indutivos - Capacitivos - Magnticos - Fotoeltricos - Ultra-s nicos - Laser

2- Sensores de Proximidade Indutivo

Os sensores de proximidade indutivos s o equipamentos eletr nicos capazes de detectar a proxima o de pe as, componentes, elementos de mquinas, etc, em substitui o as tradicionais chaves fim de curso. A detec o ocorre sem que haja o contato fsico entre o acionador e o sensor, aumentando a vida til do sensor por n o possuir pe as m veis sujeitas a desgastes mec nicos. Os sensores Indutivos s o sensores de proximidade, ou seja, geram um sinal de sada quando um objeto metlico (a o, alumnio, cobre, lat o, etc) entra na sua rea de detec o, vindo de qualquer dire o, sem que seja necessrio o contato fsico.

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2.1 - Princpio de Funcionamento

Figura 1 - Sensor de proximidade indutivo

A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condi o normal (desacionada) gera um sinal senoidal. Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfcie (Foucault), absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.

A varia o de amplitude deste sinal convertida em uma varia o contnua que comparada com um valor padr o, passa a atuar no estgio de sada. 2.2 - Face Sensora

a superfcie onde emerge o campo eletromagntico. 2.3 - Dist ncia Sensora (S)

dist ncia em que se aproximando o acionador da face sensora, o sensor muda o estado da sada. 2.4 - Dist ncia de Acionamento

dist ncia de acionamento fun o do tamanho da bobina. Assim, n o podemos especificar a dist ncia sensora e o tamanho do sensor simultaneamente. 2.5 - Dist ncia Sensora Nominal (Sn)

dist ncia sensora te rica, a qual utiliza um alvo padr o como acionador e n o considera as varia es causadas pela industrializa o temperatura de opera o e tens o de alimenta o. E o valor em que os sensores de proximidade s o especificados.

Como utiliza o alvo padr o metlico, a dist ncia sensora nominal informa tambm a mxima dist ncia que o sensor pode operar. 2.6 - Dist ncia Sensora Real

Valor influenciado pela industrializa o, especificado em temperatura ambiente (20o C) e tens o nominal, desvio de 10%:

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2.7 - Dist ncia Sensora Efetiva

Valor influenciado pela temp. de opera o, possui um desvio mximo de 10% sobre a dist ncia sensora real. 2.8 - Dist ncia Sensora Operacional (Sa)

dist ncia em que seguramente pode-se operar, considerando-se todas as varia es de industrializa o, temperatura e tens o de alimenta o. 2.9 - Alvo Padr o (Norma DIN 50010)

um acionador normalizado utilizado para calibrar a dist ncia sensora nominal durante o processo de fabrica o do sensor. Consiste de uma chapa de a o de um mm de espessura, formato quadrado. 0 lado deste quadrado iqual ao di metro do circulo da face sensora ou 3 vezes a dist ncia sensora nominal quando o resultado for maior que o anterior. 2.10 - Material do Acionador

dist ncia sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, especificada para o ferro ou a o e necessita ser multiplicada por um fator de redu o.

Material Fator A o (St 37) 1

Lat o 0,35 0,5 Cobre 0,25...0,45

Alumnio 0,35...0,50 A o inoxidvel 0,6...1

2.11 - Histerese

a diferen a entre o ponto de acionamento (quando o alvo metlico aproxima-se da face sensora) e o ponto de desacionamento (quando o alvo afasta-se do sensor). Este valor importante, pois garante uma diferen a entre o ponto de acionamento e desacionamento, evitando que em uma possvel vibra o do sensor ou acionador, a sada oscile.

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Figura 2 - Histerese em sensores 2.12 - Embutido (blindado)

Este tipo de sensor tem o campo eletromagntico emergindo apenas na face sensora e permite que seja montado em uma superfcie metlica. 2.13 - N o embutido (n o blindado)

Neste tipo o campo eletromagntico emerge tambm na superfcie lateral da face sensora, sensvel a presen a de metal ao seu redor.

Figura 3 - Sensores embutido (direita) e n o embutido (esquerda)

2.14 - Freq ncia de Comuta o

A freq ncia de comuta o o mximo nmero de acionamentos por segundo (Hz).

Figura 4 - Freq ncia de comuta o

2.15 - Aplica es

Os sensores indutivos substituem com muitas vantagens as chaves fim de curso. Abaixo visuliza-se algumas das aplica es.

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Posi o por cames controle de rota o e sentido

Controle por transfer controlde de posi o

controle do nmero de pe as posi o de comportas

Figura 5 - Algumas das aplica es dos sensores indutivos

2.16 - Vantagens

- Funcionam em condi es ambientais extremas. - Acionamento sem contato fsico. - Sada em estado s lido. (PNP ou NPN). - Alta durabilidade quando bem aplicado.

3 - SENSORES DE PROXIMIDADE CAPACITIVOS

Os sensores de proximidade capacitivos s o equipamentos eletr nicos capazes de detectar a presen a ou aproxima o de materiais org nicos, plsticos, p s, lquidos, madeiras, papis, metais, etc.

Os sensores Capacitivos s o semelhantes aos Indutivos, porm sua diferen a bsica exatamente no princpio de funcionamento, o qual baseia-se na mudan a da capacit ncia da placa detectora localizada na regi o denominada face sensvel do sensor.

Estes sensores podem detectar praticamente qualquer tipo de material, por exemplo, Metais, madeira, plsticos, vidros, granulados, p s-minerais tipo cimento, talco, etc. Os lquidos de maneira geral s o timos acionadores para os sensores capacitivos.

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3.1 - Principio de Funcionamento

O princpio de funcionamento baseia-se na gera o de um campo eltrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor.

O capacitor formado por duas placas metlicas, carregadas com cargas eltricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo eltrico para fora do sensor, formando desta forma um capacitor que possui como dieltrico o ar.

Figura 6 - Princpio de funcionamento

Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo eltrico o dieltrico do meio se altera, alterando tambm o dieltrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material a capacit ncia tambm se altera, provocando uma mudan a no circuito oscilador. Esta varia o convertida em um sinal contnuo que comparado com um valor padr o passa a atuar no estgio de sada.

Figura 7- Diagrama em blocos dos elementos do sensor 3.2 - Face sensora

a superfcie onde emerge o campo eltrico. importante notar que os modelos n o embutidos, com regi o sensora lateral, s o sensveis aos materiais a sua volta.

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Figura 8 - Face sensora do embutido e do n o embutido

3.3 - Dist ncia Sensora Nominal(Sn)

dist ncia sensora te rica a qual utiliza um alvo padr o como acionador e n o considera as varia es causadas pela industrializa o temperatura de opera o e tens o de alimenta o. E a dist ncia em que os sensores s o especificados. 3.4 - Alvo Padr o

dist ncia sensora nos capacitivos s o especificados para o acionador metlico de a o SAE 1020 quadrado, com lado igual a trs vezes a dist ncia sensora para os modelos n o embutidos (na grande maioria) e em alguns poucos casos de sensores capacitivos embutidos utiliza-se o lado do quadrado igual ao di metro do sensor. 3.5 - Dist ncia Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrializa o e considera as varia es causadas pela temperatura de opera o. 3.6 - Dist ncia Sensora Operacional (Sa)

a dist ncia que observamos na prtica, sendo considerados os fatores de industrializa o (81% Sn) e um fator que proporcional ao dieltrico do material a ser detectado, pois o sensor capacitivo reduz sua dist ncia quanto menor o dieltrico do acionador.

Sa = 0,81 . Sn . F(er)

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3.7 - Material a ser Detectado

A tabela abaixo indica o dieltrico dos principais materiais, para efeito de compara o; sendo indicado sempre um teste prtico para determina o da dist ncia sensora efetiva para o acionador utilizado. Deve-se, no entanto considerar que em caso de materiais org nicos deve-se considerar a que a dist ncia de detec o est fortemente influenciada pela presen a de gua.

Material eeeer

ar, vcuo 1 leo, papel, petr leo, poliuretano, parafina,

silicone, teflon 2 a 3

araldite, baquelite, quartzo, madeiras 3 a 4 vidro, papel grosso, borracha, porcelana 4 a 5

mrmore, pedras, madeiras pesadas 6 a 8 lcool 26 gua 80

3.8 - Ajuste de sensibilidade

O ajuste de sensibilidade presta-se principalmente para diminuir a influncia do acionamento lateral no sensor, diminuindo-se a dist ncia sensora. Permite ainda que se detecte alguns materiais dentro de outros, como por exemplo: Iquidos dentro de garrafas ou reservat rios com visores de vidro, p s dentro de embalagens, ou fluidos em canos ou mangueiras plsticas.

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Figura 9 Ajuste de sensibilidade

Deve se tomar em conta de que existe a possibilidade de que se o detector est

regulado de maneira muito sensvel, que este seja influenciado por uma modifica o do meio (temperatura, umidades, ou polui o). 3.9 - Aplica es

Pode-se destacar que os sensores capacitivos s o mais versteis do que os indutivos, porem podemos ressaltar que s o mais sensvel a perturba es externas o que torna mais atraente usar os sensores indutivos se existem metais a serem detectados.

Controle de nvel detec o de ruptura de fio

sinaliza o de corte de esteira controle de nvel de garrafas

controle de tens o em esteira Contador e controle de nvel

Figura 10 - Aplica es de sensores capacitivos

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3.10 - Vantagens

- Detectam praticamente todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato fsico. - Sada em estado s lido. - Alta durabilidade quando bem aplicado.

4 - SENSORES TICOS

Os sensores fotoeltricos, tambm conhecidos por sensores pticos, manipulam a luz de forma a detectar a presen a do acionador, que na maioria das aplica es o pr prio produto. 4.1 - Princpio de Funcionamento

Baseiam-se na transmiss o e recep o de luz infravermelha (invisvel ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.

Os fotoeltricos s o compostos por dois circuitos bsicos: um responsvel pela emiss o do feixe de luz, denominado transmissor e outro responsvel pela recep o do feixe de luz, denominado receptor.

Os Sensores pticos funcionam pelo princpio de emiss o e recep o de feixes de luz modulada e s o divididos em 3 princpios distintos: Sistema por ticas alinhadas, Difus o e Sistema Reflectivo.

Figura 11 - Princpio de funcionamento dos sensores fotoeltricos

O transmissor envia o feixe de luz atravs de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potncia e curta dura o, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a ilumina o ambiente.

O receptor composto por um fototransistor sensvel a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma freq ncia de pulsa o dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.

4.2 - Sistema por Barreira

O transmissor e o receptor est o em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do

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transmissor. O acionamento da sada ocorrer quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.

Figura 12 - Sistema por barreira

4.2.1 - Dist ncia Sensora Nominal(Sn)

dist ncia sensora nominal (Sn) para o sistema por barreira especificada como sendo a mxima dist ncia entre o transmissor e o receptor, o que n o impede o conjunto de operar com dist ncias menores. 4.2.2 - Dimens es Mnimas do Objeto

Quando um objeto possui dimens es menores que as mnimas recomendadas, o feixe de luz contorna o objeto e atinge o receptor, que n o acusa o acionamento. Nestes casos devem-se utilizar sensores com dist ncia sensora menor e conseq entemente permitem a detec o de objetos menores.

Figura 13 - Dimens o insuficiente para ser detectada

4.3 - Sistema por Difus o ptica (Fotosensor)

Neste sistema o transmissor e o receptor s o montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da sada ocorre quando a objeto a ser detectado entra na regi o de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.

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Figura 14 - Sistema por difus o

4.3.1 - Sistema por Difus o ptica Convergente

Neste princpio o sensor tem seu funcionamento anlogo ao princpio Difuso, diferenciando-se por possuir um ponto focal, sendo, portanto muito mais preciso.

Figura 15 - Sistema por difus o convergente

4.3.2 - Sistema por Difus o ptica Campo Fixo ( fixed-field )

Semelhante ao princpio convergente, por possuir tambm um nico ponto focal, diferencia-se por executar a fun o de supress o ao plano de fundo.

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Figura 16 - Sistema por difus o campo fixo

4.3.3 - Dist ncia Sensora Nominal (Sn)

dist ncia sensora nominal no sistema por difus o a mxima dist ncia entre o sensor e o alvo padr o. 4.3.4 - Alvo Padr o

O alvo padr o no caso dos sensores por difus o uma folha de papel fotogrfico branco com ndice de refletividade de 90%, com dimens es especificadas para cada modelo de sensor. Utilizado durante a industrializa o para calibra o da dist ncia sensora nominal (Sn).

4.3.5 - Dist ncia Sensora Efetiva (Su)

Valor influenciado pela industrializa o e considera as varia es causadas pela temperatura de opera o. 4.3.6 - Dist ncia Sensora Operacional (Sa)

Para os modelos tipo fotosensor existem vrios fatores que influenciam o valor da dist ncia sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflex o de luz da fsica.

Sa = 0,81 . Sn . FC (cor, material, rugosidade, outros)

Abaixo apresentamos duas tabelas que exemplificam os fatores de redu o em fun o da cor e do material do objeto a ser detectado.

Cor FC Material Fc branco 0,95 a 1 metal polido 1,20 a 1,80

amarelo 0,90 a0,95 metal usinado 0,95 a 1,00 verde 0,80 a 0,90 papeis 0,95 a 1,00

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vermelho 0,70 a 0,80 madeira 0,70 a 0,80 azul claro 0,60 a 0,70 borracha 0,40 a 0,70

violeta 0,50 a 0,60 papel o 0,50 a 0,60 preto 0,20 0,50 pano 0,50 a 0,60

Nota: Em casos onde h a necessidade da determina o exata do fator de redu o deve-se fazer um teste prtico, pois outros fatores podem influenciar a dist ncia sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimens es, etc. Lembramos tambm que os fatores s o acumulativos, como por exemplo: papel o (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.

4.3.7 -Zona Morta

a rea pr xima ao sensor, onde n o possvel a detec o do objeto, pois nesta regi o n o existe um ngulo de reflex o da luz que chegue ao receptor. A zona morta normalmente dada por: 10 a 20% de Sn.

Figura 17 - Zona morta onde n o ha detec o

4.4 - Sistema Refletivo

Este sistema apresenta o transmissor e o receptor em uma nica unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente ap s ser refletido por um espelho prismtico, e o acionamento da sada ocorrer quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.

Figura 18 - Sistema refletivo

4.4.1- Dist ncia Sensora Nominal(Sn)

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dist ncia sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo especificada como sendo a mxima dist ncia entre o sensor e o espelho prismtico, sendo possvel mont-los com dist ncia menor. Disponveis para at 10m. 4.4.2 - Espelho Prismtico

O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido s superfcies inclinadas a 45 o que n o acontece quando a luz refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vrios ngulos. dist ncia sensora para os modelos refletivos fun o do tamanho (rea de reflex o) e o tipo de espelho prismtico utilizados.

Figura 19 - Funcionamento do espelho prismtico 4.4.3 - Detec o de Transparentes

A detec o de objetos transparentes, tais como: garrafas de vidro, vidros planos, etc; podem ser detectados com a angula o do feixe em rela o ao objeto, ou atravs de potenci metros de ajuste de sensibilidade, mas sempre se aconselha um teste prtico. A detec o de garrafas plsticas tipo PET, requerem sensores especiais para esta finalidade.

Figura 20 - Detec o de transparentes

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4.4.4 - Detec o de Objetos Brilhantes

Quando o sistema refletivo for utilizado na detec o de objetos brilhantes ou com superfcies polidas, tais como: engradados plsticos para vasilhames, etiquetas brilhantes, etc; cuidados especiais devem ser tomados, pois o objeto neste caso pode refletir o feixe de luz. Atuando assim, como se fosse o espelho prismtico, ocasionando a n o interrup o do feixe, confundindo o receptor que n o aciona a sada, ocasionando uma falha de detec o, para se prevenir aconselha-se utilizar um dos mtodos: 4.4.4.1 - Montagem Angular

Consiste em montar o sistema sensor espelho de forma que o feixe de luz forme um ngulo de 10O a 30O em rela o ao eixo perpendicular ao objeto.

Figura 21 - Op o para detec o de objetos brilhantes 4.4.4.2 - Filtro Polarizado

Existem sensores com filtros polarizados incorporados, que dispensam o procedimento anterior. Estes filtros mec nicos servem para orientar a luz emitida, permitindo apenas a passagem desta luz na recep o, que diferente da luz refletida pelo objeto, que se es palha e m todas as dire es.

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Figura 22 - Polariza o do feixe de luz

4.4.5 - Imunidade Ilumina o Ambiente

Normalmente, os sensores pticos possuem imunidade ilumina o ambiente, pois operam em freq ncias diferentes. Mas podem ser afetados por uma fonte muito intensa (exatamente como acontece com as rdios FM), como por exemplo, uma I mpada incandescente de 60W a 15cm do sensor, ou um raio solar incidindo diretamente sobre as lentes.

Figura 23 - Espectro de ilumina o 4.4.6 - Meio de Propaga o

Entende-se como meio de propaga o, o meio onde a luz do sensor dever percorrer. A atmosfera em alguns casos pode, estar poluda com partculas em suspens o, dificultando a passagem da luz. A tabela abaixo apresenta os fatores de atmosfera que devem ser acrescidos no clculo da dist ncia sensora operacional Sa.

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Condi es Fatm Ar puro, podendo ter umidade sem condensa o 1 Fuma a e fibras em suspens o, com alguma condensa o 0,4 a 0,6 Fuma a pesada, muito p em suspens o e alta condensa o 0 a 0,1

4.4.7 - Acess rios para sensores pticos

Uma das grandes vantagens de se trabalhar com sensores pticos que eles s o muito mais flexveis do que os outros sensores. Abaixo temos uma lista de alguns acess rios que podem ajudar a solucionar vrios problemas de aplica o:

- Espelhos prismticos ultra-reflectivos. - Fibras pticas em diversos di metros. - Fibras pticas para alta temperatura. - Temporiza o. - Ajuste remoto e inteligente.

4.4.8 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato fsico. - Modelos com Sada em estado s lido, rel ou anal gica. - Maior durabilidade quando bem aplicado. - Trabalha em grandes dist ncias (Mais de 200mt E/R)

5 - SENSORES ULTRA-S NICOS

Sensores Ultra-s nicos emitem ondas de som com freq ncia acima da audvel pelo ouvido humano. Os objetos a serem detectados refletem estas ondas e os sensores s recebem e interpretam.

Com estes sensores podemos detectar com facilidade objetos transparentes de plstico, vidros ou superfcies liquidas, diferente dos sensores fotoeltricos que dependem da opacidade ou refletividade do material. 5.1- Princpio de Funcionamento

O emissor envia impulsos ultra-s nicos sobre o objeto a analisado. As ondas sonoras voltam ao detector depois de um certo tempo, proporcional dist ncia. O tempo de resposta ent o dependente da velocidade do som e tambm da dist ncia do objeto. Os detectores ultra-s nicos podem detectar lquidos, s lidos e granulados.

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Figura 24 - princpio de funcionamento do sensor ultra-s nico 5.2 Aplica es

Medi o de espessura de chapas Detec o de frascos de vidros

Figura 25 - Aplica o do sensor ultra-s nico 5.3 - Vantagens

- Detectam todos os tipos de materiais. - Acionamento sem contato fsico. - Modelos com Sada em estado s lido, rel ou anal gica. - Possui circuito inteligente

6 - Sistema Touch Control

Permite os ajustes dos sensores digitais atravs de dois bot es montados, na lateral do sensor.

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Figura 25 Sistema touch control Procedimento de Ajuste: Touch Control

Pressione os Bot es T1 e T2 simultaneamente por mais de 3 segundos, at, o LED D1 piscar na cor amarela, ent o solte os bot es. Pressione o bot o T1 para aumentar ou o bot o T2 para diminuir a dist ncia de atua o, observe que o LED para de piscar quando um objeto detectado, se possvel teste a detec o do objeto.

O armazenamento da dist ncia ajustada ocorre caso nenhum bot o for pressionado por um intervalo de 20s. O acionamento da sada pode ser monitorado atravs do LED de sinaliza o que permanece verde sem objeto e torna-se laranja quando o objeto permanece na zona vlida de detec o.

7 - Qual o melhor sensor? Determinando a aplica o: Observar:

- Qual o material a ser detectado? - Qual dist ncia do alvo ao sensor? - Qual o princpio ativo do sensor que melhor se adapta a identificar o alvo? - Existe algum obstculo que possa interferir na resposta do sensor? - Qual a freq ncia de acionamento do sensor? - Quais as condi es ambientais ao qual o sensor ser submetido?

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8 - Cuidados bsicos com os sensores Nunca:

Utilize l mpadas incandescentes como carga ou teste. O filamento quando frio apresenta um alto consumo de corrente, causando a queima do sensor. Manuseie o sensor estando o circuito energizado. Qualquer descuido (curto - circuito), poder ser fatal para o sensor e para voc.

Acione um motor diretamente com o sensor, use dispositivos apropriados como, por exemplo: Rels, Chaves - Contatoras, etc.

Observar:

Sempre a Tens o ( AC/DC) de alimenta o , sua polaridade ( PNP / NPN ) , respeitar a capacidade de Corrente do sensor e sua Temperatura de trabalho.

A existncia de pe as e ou partes m veis que possam atingir e danificar a face do sensor e ou seu cabo.

A incidncia de gua, leo, sujeira produtos qumicos e ou elementos que possam danificar ou interferir em seu funcionamento.

Figura 26 Cuidados bsicos com os sensores

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9 - Para a escolha apropriada de sensores eletr nicos, a seguinte terminologia adotada a) Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da varivel medida que est o

compreendidos dentro dos limites inferiores e superior da capacidade de medida ou de transmiss o do instrumento. Se Expressa determinando os valores extremos;

b) Alcance (SPAN): a diferen a algbrica entre os valores superior e inferior da faixa

de medida do instrumento. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida de 100C a 250C, possui um alcance de 150C.

c) Erro: a diferen a entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em rela o

ao valor real da varivel medida. Se tivermos o processo em regime permanente, estvel, chamaremos de "erro esttico" que ser positivo ou negativo, dependendo da indica o do instrumento que poder estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a varivel se alterando, teremos um atraso na transferncia de energia do meio para o medidor, onde o valor medido estar geralmente atrasado em rela o ao valor real da varivel. Esta diferen a chamada de "erro din mico";

d) Precis o: define-se como sendo o maior valor de erro esttico que um instrumento

pode ter ao longo de sua faixa de trabalho. Pode ser expressa de diversas maneiras como: porcentagem do alcance, unidade da varivel e porcentagem do valor medido;

e) Zona morta: a n o altera o na indica o ou no sinal de sada de um instrumento

ou em valores absolutos da faixa de medida do mesmo, apesar de ter ocorrido uma sensvel varia o da varivel. Por exemplo, um instrumento com faixa de medida entre 0C a 200C possui uma zona morta de 0,1% do alcance, ou seja, 0,2C. Portanto, para varia es inferiores a este valor, o instrumento n o apresentar altera o da medida;

f) Sensibilidade (linearity): a raz o entre a varia o do valor medido ou transmitido

para um instrumento e a varia o da varivel que o acionou, ap s ter alcan ado o estado de repouso. Pode ser expressa em unidades de medida de sada e de entrada. Por exemplo, um term metro de vidro com faixa de medida de 0C a 500C possui uma escala de leitura de 50cm, portanto, a sua sensibilidade de 0,1cm/C;

g) Histerese: a diferen a mxima apresentada por um instrumento, para um mesmo

valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a varivel percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente;

h) Repetibilidade: a mxima diferen a entre diversas medida de um mesmo valor da

varivel, adotando sempre o mesmo sentido de varia o. Se Expressa em porcentagem do alcance;

i) Resolu o: a menor varia o que se pode detectar. A resolu o est relacionada

com o nmero de "bit" do instrumento: quanto maior o nmero de "bit" melhor a resolu o. O clculo da resolu o de um instrumento dado pelo quociente da faixa

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de medida por 2nmero de "bit" do mesmo. Por exemplo, para um transdutor linear de 100mm e 12 bit, tem-se uma resolu o de 0,024mm.

10 - Clula de Carga

As clulas de carga s o sensores projetados para medir cargas estticas e din micas de tra o e compress o, princpio extensomtrico e cargas de 0 a 300t.

As clulas s o totalmente estanques (prote o IP67) e podem ser utilizadas em atmosferas agressivas. Externamente o transdutor usinado a partir de um nico bloco de a o inoxidvel sem qualquer parte soldada. As clulas de carga s o, ainda, resistentes vibra o e impacto. O seu tamanho compacto permite sua aplica o em pequenos espa os e em locais de difcil acesso.

O uso de clulas de carga como transdutores de medi o de for a abrange hoje uma vasta gama de aplica es: desde nas balan as comerciais at na automatiza o e controle de processos industriais.A populariza o do seu uso decorre do fato que a varivel peso Interveniente em qrande parte das transa es comerciais e de medi o das mais frequentes dentre as grandezas fsicas de processo. Associa-se, no caso particular do Brasil, a circunst ncia que a tecnologia de sua fabrica o, que antes era restrita a na es mais desenvolvidas, hoje amplamente dominada pelo nosso Pas, que desponta como exportador importante no mercado internacional.

Um tipo de clula de carga a Doc 438, modelo TU-K5C, para cargas de tra o e compress o da Gefran Brasil, com flange para a aplica o de cargas suspensas, FLA703, e articula o esfrica, SND022. A figura 27 apresenta as dimens es mec nicas da clula de carga Doc 438 e sua montagem com junta esfrica dupla e flange para cargas suspensas. Algumas especifica es tcnicas desta clula: - Precis o: 0,2%; - Faixa de medi o: 0 a 500Kg; - Sensibilidade: 2mV/V; - Erro combinado - n o linearidade/histerese/repetibilidade: 0,2% do fundo de escala; - Tens o nominal de alimenta o: 10V; - Tens o mxima de alimenta o: 15V; - Faixa de temperatura permissvel: -20C a 60C; - Carga esttica mxima: 130% a capacidade mxima; - Carga din mica mxima: 100% a capacidade mxima; - Carga mxima aplicvel: 150% a capacidade mxima; - Carga de ruptura: 300% a capacidade mxima; - Grau de prote o (DIN 40050): IP67; - Liga es eltricas: cabo blindado 4x0,25 / 3m; - Material do elemento elstico: a o inoxidvel.

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Figura 27 - Clula de Carga

Embora a resolu o da clula de carga seja infinita, pois depende da IHM (GEFRAN, 1997), o conjunto clula de carga IHM (figura 28) permitir uma resolu o de 0,015Kg.

Figura 28 Indicador de alta freq ncia (IHM)

10.1 - Princpios de Funcionamento

O princpio de funcionamento das clulas de carga baseia-se na varia o da resistncia hmica de um sensor denominado extens metro ou strain gage (Fig. 29), quando submetido a uma deforma o. Utiliza-se comumente em clulas de carga quatro extens metros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone (Fig. 30) e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deforma o dos extens metros, proporcional for a que a provoca. atravs da medi o deste desbalanceamento que se obtm o valor da for a aplicada.

Figura 29 - Extens metro ou strain gage

Os extens metros s o colados a uma pe a metlica (alumnio, a o ou liga cobre-berlio), denominada corpo da clula de carga e inteiramente solidrios sua deforma o. A for a atua, portanto sobre o corpo da clula de carga e a sua deforma o transmitida aos extens metros, que por sua vez medir o sua intensidade.

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Figura 30 - Ponte de Wheatstone

Obviamente que a forma e as caractersticas do corpo da clula de carga devem ser objeto de um meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execu o, visando assegurar que a sua rela o de proporcionalidade entre a intensidade da for a atuante e a conseq ente deforma o dos extens metros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos cilcos subsequentes, independentemente das condi es ambientais. A forma geomtrica, portanto, deve conduzir a uma "linearidade" dos resultados (fig. 31).

Figura 31 - Grfico de deforma o x carga, mostrando histerese, repetibilidade e n o linearidade

Considerando-se que a temperatura gera deforma es em corpos s lidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela a o da for a a ser medida, h necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura atravs da introdu o no circuito de Wheatstone de resistncias especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extens metros. Um efeito normalmente presente ao ciclo de pesagem e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matria-prima da clula de carga o da "histerese" decorrente de trocas trmicas com o ambiente da energia elstica gerada pela deforma o, o que acarreta que as medi es de cargas sucessivas n o coincidam

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com as descargas respectivas (Fig. 31). Outro efeito que tambm deve ser controlado a "repetibilidade" ou seja, indica o da mesma deforma o decorrente da aplica o da mesma carga sucessivamente, tambm deve ser verificada e controlada atravs do uso de materiais isotr picos e da correta aplica o da for a sobre a clula de carga (Fig. 31).

Figura 32 - Grfico de deforma o x tempo mostrando a fluncia ou creep

Finalmente, deve-se considerar o fen meno da "fluncia" ou creep, que consiste na varia o da deforma o ao longo do tempo ap s a aplica o da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material e apresenta-se como varia es aparentes na intensidade da for a sem que haja incrementos na mesma (Fig. 32).

10.2 - Alguns critrios devem ser utilizados na escolha de uma clula de carga

10.2.1- Capacidade nominal

A for a mxima que ela dever medir (OS fatores de seguran a, 50% de sobrecarga contra danos de funcionamento e 300% para a ruptura, s o intrnsecos a pr pria clula).

10.2.2 - Sensibilidade

A medi o do desbalanceamento da ponte de Wheatstone feita atravs da varia o da tens o de sada em fun o da tens o de excita o aplicada na entrada da ponte.

Quando a clula de carga esta carregada, este valor dado em milivolt por volt aplicado e, normalmente, entre 2 e 3 mV/V. Isto significa que uma cluLa de carga de 30kg de capacidade nominal e 2mV/V de sensibilidade, com uma tens o de excita o na entrada de 10 V, quando sujeita a uma for a de 30Kg apresentar na sada uma varia o de tens o de 20mV.

10.2.3 - Precis o

o erro mximo admissvel relacionado em divis es da capacidade nominal. As clulas de carga neste caso podem ser divididas em:

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Baixa precis o: at 1.000 divis es (ou 0,1% da capacidade nominal) Mdia precis o: de 3.000 a 5.000 divis es (ou 0,03 a 0,02% da capacidade nominal).

Alta precis o: 10.000 divis es (ou 0,01% da capacidade nominal)

10.2.4 - Formato

De acordo com a aplica o, determinados formatos s o requeridos, considerando-se se a carga apoiada (clulas tipa viga) ou se a carga sustentada (clula tipo Z), ou ainda se a carga introduz momentos torsores na clula (clulas tipo single point).

10.2.5 - Ambiente de trabalho

Ambientes midos quimicamente agressivos requerem clulas de carga hermticas, com grau de prote o IP67, que se consegue normalmente nas do tipo shear-beam. Dever ser evitado o uso de clulas de carga em ambientes sujeito vibra o intensa, apesar do projeto das mesmas incluir uma verifica o de freq ncia natural, no sentido de se evitar o fen meno de resson ncia.

O uso de clulas de carga em ambientes explosivos deve ser acompanhado por barreiras de seguran a intrnseca. Alerta-se que o uso de barreiras de seguran a intrnseca inserem resistncias em srie nos circuitos, o que poderia baixar as tens es da excita o. recomendvel o uso de indicadores que compensem esta diminui o atravs de liga es a 7 fios (tipo Kelvin).

10.2.6 - Dispositivos de montagem

Devem ser escolhidos visando n o transmitir clula de carga nenhum outro esfor o que n o seja o da for a a medir e, portanto, visando assegurar para a carga todos os graus de liberdade de deslocamento possveis, excess o do relativo dire o da for a a medir.

10.2.7 - Tempo da pesagem

Muitas vezes disp e-se de um tempo limitado para se efetuar a pesagem. Neste caso deve-se considerar 1 segundo como um tempo mnimo para cada pesagem, considerando-se o amortecimento das oscila es que a clula sofre ao receber o carregamento. Eventualmente este tempo pode ser reduzido atravs do uso de sistemas de amortecimento.

10.2.8 - Limites de sobrecarga e deslocamentos

Em clulas de carga tipo flex o ou bending, normalmente de baixa capacidade, necessrio prever-se limites de sobrecarga que impe am a clula de carga de deformar-se alm de um dado valor. Nas clulas tipo cisalhamento (shear beam) e compress o (canister), s o difceis aplicar limites de sobrecarga, tendo em vista o pequeno valor da

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flecha produzida em fun o da carga nominal aplicada e, portanto, cabe ao usurio precaver-se quanto a eventualidade do uso de cargas excessivas.

Outros limites de deslocamento usados s o os tirantes, necessrios para limitar o deslocamento de tanques e silos, quando as clulas de carga est o situadas abaixo do centro de gravidade dos mesmos (portanto, n o s o autocentrantes), sujeitos a a o dos ventos ou com misturadores instalados. O objetivo destes tirantes obstar deslocamentos n o verticais.

10.2.9 - Conclus o

As clulas de carga s o transdutores bastante precisos e de vida til muito longa (s o projetados e testados em prot tipo para dez milh es de ciclos de pesagem). Esta longetividade e precis o podem ser facilmente obtidas desde que sejam convenientemente especificadas e instaladas. A assessoria tcnica do fabricante sempre muito til e evita falhas de projeto muito custosas. Procurou-se dar aqui algumas informa es fundamentais, que n o excluem, porm a eventual necessidade daquela consulta, a qual fortemente recomenda-se n o renunciar.

10.3 Exemplos de Clulas de Cargas

Clula de carga para compress o em corte

Dispositivos para utiliza o de Clulas de Carga,

aplicadas no mundo inteiro.

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Modelo de Clula para Compress o

Modelo de Clula para tra o

Figura 33 Modelos de Clulas de Carga

11 - Encoders

Podemos definir este equipamento como sendo um transdutor que executa a transforma o (decodifica o) de um movimento mec nico em um sinal eletr nico. Seu funcionamento est baseado na interrup o ou n o de um sinal ptico, normalmente um feixe luminoso, conseguido comumente atravs de um emissor e um sensor separados p r um n nio e um disco de vidro, plstico ou metais estriados que alternadamente permitem ou n o a passagem de luz do emissor para o receptor.

Quando o disco sofre um deslocamento angular interrompe a passagem de luz, gerando um pulso. Este pulso representa um certo ngulo mnimo, que define a resolu o do sistema. Podermos dividir estes equipamentos em dois tipos:

Encoders incrementais; Encoders absolutos.

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11.1 Encoder Absoluto

Em um encoder absoluto cada posi o representada unicamente p r um c digo padr o. Este c digo prove de trilhas independentes e est gravado no disco do encoder, onde para cada trilha existe um sensor ptico correspondente. Cada sensor ir fornecer um sinal de nvel l gico 1 ou 0 dependente do c digo padr o do disco para cada posi o (ver figura abaixo). Uma vantagem deste tipo de encoder que n o haver perda da posi o no caso de falta de energia, pois n o necessrio indexar ou referenciar a partir de um determinado ponto.

Figura 34 Disco codificado de um encoder absoluto

Cada trilha do disco codificado significa um bit, dependendo ent o do nmero de trilhas verificaremos a resolu o deste sistema. P r exemplo, um disco com 8 trilhas poder identificar 256 posi es diferentes. A express o (8) mostra analiticamente como podermos determinar a resolu o de um encoder absoluto em fun o do nmero de bits do disco codificado. Dq = 360 (8) N

2 Onde: N o nmero de bits ou trilhas do disco. O disco do encoder pode ser codificado de varias maneiras diferentes, porm, existem dois c digos que s o os mais utilizados: o c digo binrio e o c digo de Gray. O c digo binrio amplamente utilizado nas aplica es para automa o industrial e o c digo de Gray, possui como principal vantagem a que de uma posi o para outra apenas um bit alterado. Assim, fica possvel encontrar erros provocados p r rudos eltricos ou eletromagnticos atravs de software. Podemos ainda, dividir os encoders absolutos em dois tipos: single turn e multi turn. Os encoders do tipo single turn repetem o c digo da posi o a cada 360

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para uma volta do eixo. Normalmente estes encoders s o fornecidos at a resolu o de 14 bits, ou seja, 16384 posi es por volta, ou ainda, o menor ngulo que pode ser representado o de 0,02I9 . J os do tipo multi turn possuem discos codificados adicionais que permitem a leitura de varias voltas. A figura Abaixo pode nos dar uma idia de como isto realizado.

Figura 35 Disco codificado de um encoder absoluto multi-turn

A resolu o do encoder absoluto dada por contagem/revolu o, isto , se ele tiver no seu disco (encoder rotativo) 12 faixas para c digo de gray, ent o ter 2 combina es possveis perfazendo um total de 4096 combina es. Com rela o sada destes encoders podemos encontrar: sada paralela, sada serial ou comunica o em rede. Para os encoders com sada paralela, para cada

bit existe um condutor, e o elemento de controle dever obviamente possuir uma porta paralela para leitura destes sinais. Os encoders com sada serial s o muito utilizados, pois a grande maioria dos processadores no mercado utilizam este sistema de transmiss o de dados.

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Existem algumas vantagens, dentre as quais: Baixo custo em fun o do cabeamento; Maior velocidade de transmiss o (at 1,5 G bps); Reduzido nmero de componentes; Maior imunidade a rudos. Os encoders com sada para comunica o em rede tambm s o seriais, porm adotam protocolos amplamente conhecidos no mercado de automa o, como p r exemplo: CAN (Devicenet), Interbus, Profibus (DP) e entre outros. 11.2 Aplica es dos Encoders Absolutos As aplica es para este tipo de encoder seriam aquelas onde necessitamos fazer posicionamentos em uma nica volta e que podem permanecer desativadas p r um longo perodo de tempo, tais como:

Radares; Telesc pios;

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Guindastes; Manipuladores; Rob s; Comportas; Sistemas de nvel; Posicionamento de eixos; Posicionamento de vlvulas; Mesas planas, etc.

11.3 Encoder Incremental Nestes encoders cada deslocamento angular representado pela gera o de um

pulso. possvel ainda determinar o sentido de rota o do eixo atravs do n nio ou de duas faixas regularmente defasadas (ver figura 36). Na verdade um circuito eletr nico poder detectar o sentido de giro atravs de opera es l gicas. O encoder incremental

fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90, que s o chamados usualmente de canal A e canal B. A leitura de apenas um canal fornecendo somente a velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece tambm o sentido do movimento. Um outro sinal chamado de Z ou zero tambm est disponvel e ele d a posi o absoluta zero do encoder. Este sinal um pulso quadrado em a fase e a largura as mesmas do canal A.

Figura 36 Encoder Incremental

A resolu o determinada atravs do nmero de pulsos que o encoder gera p r volta ou pelo nmero de pulsos p r rota o (PPR). A mxima resolu o que encontrarmos para estes casos est p r Volta de 10000 pulsos/rota o (podendo chegar a 40000 com alguns recursos adicionais), pois acima disto fica muito difcil construir ranhuras t o pr ximas umas das outras. O que n o devemos nunca esquecer que a resolu o do encoder deve ser igual, ou melhor, do que aquela requerida pela aplica o. Como todo transdutor o encoder incremental possui duas velocidades inerentes: a

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mec nica e a eletr nica, que p r sua vez imp em limites a velocidade de opera o. A combina o de vrios fatores tais como, rolamentos, freq ncia de resposta, PPR para cada aplica o, tambm influencia nestas quest es. De modo geral, a mxima velocidade de opera o para um encoder incremental depende diretamente da aplica o. Podemos determinar a velocidade de opera o para nina dada aplica o atravs da seguinte express o: f = PPR x n 60

Onde: f a freq ncia de opera o [Hz]; PPR a resolu o do encoder;

n a rota o [rpm]. Para os terminais de sada adotada uma terminologia pr pria. Os sinais s o transmitidos utilizando circuitos de corrente continua, para que sejam atingidas altas velocidades de transmiss o. Esta transmiss o feita p r uma corrente que pode fluir do encoder para o circuito (NPN) ou do circuito para o encoder (PNP), embora a maioria dos encoders possa ser configurada em outros padr es, alm do PNP ou NPN, tais como: Push Pull, Line Drive ou RS422. Os encoders incrementais ainda podem ser unidirecionais ou bidirecionais ou ainda com sinal de referencia. Adicionalmente podem ser transmitidos tambm como sinal singular sigle ended ou com seus sinais complementares diferenciais.

Para a especifica o de encoders incrementais devem ser informadas algumas caractersticas, que podemos dividir em:

Mec nicas: flange, di metro do eixo ou eixo vazado, mxima carga do

eixo, pulsos p r volta, velocidade, momento de inrcia, temperatura de opera o, prote o [IP], dimens es e tipo de conex o (eltrica).

Eletr nicas: freq ncia, tipo de eletr nica, formato da sada, imunidade a

rudo, prote o do circuito (invers o de polaridade, sobretens o, curto-circuito na sada) e alimenta o.

As aplica es para encoders incrementais abrangem vrios processos entre os quais podemos citar:

Realimenta o de sistemas digitais de controle de velocidade; Maquinas de embalagens; Ajustes de fusos para prepara o de espessura de um produto; Rob s; Misturadores; Mesas rotativas.

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12 Sensor de Umidade

As medi es de umidade feitas desde o sculo XV com rela o atmosfera. N o difcil se fazerem medi es de umidade, a menos que se exija muita precis o e controle rigoroso. H trs mtodos gerais para se medir a umidade relativa do ar: o psicr metro, o sensor eletr nico e o ponto de orvalho.

No mtodo do psicr metro utilizado como sensor um fio de cabelo humano ou uma membrana animal que muda de dimens es com a umidade. Durante muitos anos estes elementos higromec nicos foram usados como indicadores e como chaves de controle.

O sensor eltrico satisfaz a necessidade industrial quanto a velocidade, versatilidade, precis o e alta sensibilidade, usando massa pequena e componentes n o-metlicos.

Onde importante o teor real de gua do ar, ou onde a condensa o da umidade deve ser evitada, aplica-se com mais eficincia o controle do ponto de orvalho. 12.1 Sensor Eletr nico

Um sensor eletr nico de umidade um dispositivo de precis o capaz de detectar

uma varia o de 1% na umidade relativa. Um tipo de sensor eletr nico constitudo de duas grades de ouro entrela adas,

estampadas sobre plstico e cobertas com uma complexa camada de sais higrosc picos. Conforme aumenta a umidade relativa (UR), a camada se torna mais condutiva e a resistncia entre as grades diminui. A varia o de resistncia calibrada em unidades de UR, e o controlador associado interpreta as varia es de modo a ativar o equipamento adequado de controle de umidade. 12.2 Sensor Ponto de Orvalho

Um tipo de sensor de ponto de orvalho consiste em eletrodos de fio bifilar,

enrolados sobre uma luva de pano, que cobre um tubo oco ou carretel. (Bifilar significa um enrolamento de dois fios enrolados lado a lado, separados de uma dist ncia uniforme). A luva de pano impregnada com uma solu o de cloreto de ltio e deixada secar. Os fios bifilares s o ligados ao secundrio de um transformador integral. Os eletrodos bifilares n o est o interligados. Dependem da condutividade do cloreto de ltio atmosfericamente umedecido para que haja um fluxo de corrente.

O cloreto de ltio possui duas caractersticas nicas que o tornam apropriado s medidas de ponto de orvalho. altamente higrosc pico, isto , tem uma grande afinidade com o vapor dgua e tem uma habilidade inerente para manter-se em um valor constante pouco acima dos 11%, quando presente em uma atmosfera mida e aquecida por uma corrente eltrica que o percorra. Para valores de 11% ou abaixo, o cloreto de ltio da luva seca-se e se transforma em s lido cristalino e n o condutor.

Um segundo tipo de detector de ponto de orvalho usa uma c mara de observa o onde introduzida uma amostra de gs que contm vapor mido. Um man metro indica diretamente a rela o entre a amostra do gs e a press o atmosfrica. A amostra de gs mantida a uma press o um pouco acima da atmosfrica. Quando se abre uma vlvula de opera o, o gs escapa para a c mara de

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observa o e se expande press o atmosfrica. Quando o gs libertado acende-se uma l mpada, de modo que quando o gs se resfria, abaixo do ponto de orvalho, forma-se uma nvoa caracterstica na c mara. O procedimento repetido de modo a estabelecer o ponto final ou o ponto de fuga da neblina. Este ponto final pode ser determinado com precis o quando medido pela rela o de press o do ponto de fuga.

Outras tcnicas do ponto de orvalho envolvem a observa o da forma o do orvalho sobre uma superfcie polida, e diminuindo a temperatura por tcnicas de refrigera o obtm-se um dep sito de orvalho dos gases confinados. A medi o e/ou controle da umidade desejvel ao se estabelecer um ambiente confortvel ao homem (como as reas de temperatura e umidade controladas para trabalhos especiais), em reas de armazenamento, em gases comprimidos usados em instrumenta o e trabalhos analticos, em fornalhas de atmosfera controlada e em fornos de secagem. O controle da umidade tambm essencial na indstria do papel, para que o mesmo possa ser calandrado na espessura correta e armazenado sem expans o dimensional. Sem o controle adequado da umidade, o papel poderia ser esticado no processo de calandragem e depois ser contrado at se quebrar.

12.3 Sensores Capacitivos de Umidade

O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higr metros de uso domstico, comercial ou industrial o capacitivo.

Este sensor formado por uma folha de material n o condutivo coberta nas duas faces por uma finssima camada de ouro (condutor) numa estrutura que corresponde justamente a um capacitor plano.

A constru o desse capacitor, entretanto, tal que a umidade do ar pode penetrar com facilidade no material dieltrico, alterando sua capacit ncia. Com a penetra o da umidade a capacit ncia aumenta.

Para um sensor tpico, a capacit ncia se altera de aproximadamente 112 pF para uma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que a faixa de utiliza o do sensor).

Para dar acesso umidade ao dieltrico, o conjunto montado num inv lucro dotado de pequenos orifcios.

Figura 37 - Sensor de temperatura e umidade

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12.3.1 Sensor de Umidade da Philips Components

Com um nmero de catlogo bastante complicado para ser utilizado numa loja, o sensor 2322 691 90001 da Philips Components possui caractersticas que permitem sua utiliza o em higr metros de boa precis o. Algumas publica es tcnicas tratam este sensor como um "umidistor", mas n o achamos que este seja um nome conveniente. As principais caractersticas deste sensor s o: Faixa de umidades medidas: 10% a 90% Sensibilidade entre 12 e 75% de umidade relativa: 0,4 pF / % Faixa de freq ncias de opera o : 1 kHz a 1 MHz Tens o mxima AC ou DC: 15 V Faixa de umidade para armazenamento: 0 a 100% Faixa de temperatura de opera o: 0 a 85 graus centgrados 13 Sensor de PH

O princpio de funcionamento dos sensores de pH muito simples.

Figura 38 Sensor de PH

O bulbo de vidro detecta ons de H+ e gera uma corrente eltrica (59,2 mV por unidade de pH a 25 oC). O gel interno recebe a corrente eltrica (+) e transmite ao interior do sensor. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a corrente e transmite ao cabo de conex o, que leva o sinal do sensor ao leitor/controlador.

13.1 - Sensor de referncia:

Figura 39 Sensor de Referncia

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O septo poroso isola o gel ou solu o interna de KCl do meio externo. A concentra o constante de ons de cloreto dentro do sensor gera uma corrente eltrica (-) com o fio de prata. O fio de prata pura (tratado com cloreto de prata AgCl) capta a corrente e transmite ao cabo de conex o, que leva o sinal do sensor ao leitor/controlador.

Figura 40 Sensores de PH

13.2 Sensor combinado de pH e referncia

Figura 41 Sensor Combinado

Um sensor combinado consiste de um sensor de pH e um sensor de referncia dentro de um mesmo corpo.

13.3 Aplica es tpicas para estes sensores s o:

Efluentes oleosos ou gordurosos;

Lodo calcrio;

Refinamento de a car;

Emuls es;

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Lavagem de gases;

Coagula o de floculantes;

Fabrica o de papel e celulose;

E muitas outras;

13.4 Especifica es Banda de pH: 0 - 12 pH Banda de temperatura: 0 - 50 oC. Banda de press o: 0 - 100 psi. Sensor de referncia: Duplo septo poroso com Ag/AgCl

14 Interfer metro

O interfer metro um aparelho inventado pelo norte-americano Albert Michelson que permite calcular a velocidade da luz.

Figura 42 Interfer metro

14.1 Funcionamento

O interfer metro de Michelson (1852 - 1931, prmio Nobel em 1907), a forma fundamental da grande variedade de interfer metros de 2 feixes. No esquema a seguir (fig.43), a luz vem expandida da fonte L, incide na placa paralela P, sofre uma refra o at incidir na outra superfcie semi-espelhada, aonde ir se dividir em 2 feixes, os quais ir o atingir os espelhos A1 e A2 perpendicularmente.

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Figura 43 - Esquema ptico do interfer metro

Os retornos dos feixes ir o atingir a face semi-espelhada da placa P, e as franjas

de interferncia podem ser vistas diretamente a olho nu, ou atravs de um telesc pio F. Notar que a luz refletida por A2 passa atravs da placa P 3 vezes, enquanto que a luz refletida por A1 passa apenas 1 vez. A placa compensadora P1 idntica na espessura e no paralelismo placa P. Sua inser o vai equalizar os caminhos dos dois feixes.

Quando os espelhos estiverem a dist ncias iguais e perpendiculares, o campo de interferncia ser uniforme. Quando as superfcies refletoras n o estiverem perpendiculares, as franjas passam de circulares a linhas. Quanto maior a diferen a entre as dist ncias dos espelhos A1 e A2 placa P, mais crculos concntricos de interferncia ser o observados. Assim toda vez que o deslocamento do espelho m vel atingir um valor mltiplo de l /2, o valor da intensidade se repete.

A presen a das l minas de vidro trazem tambm um sistema paralelo de reflex es na segunda face e conseq entemente de franjas. A intensidade deste sistema secundrio fraca, e dificilmente possvel observ-lo.

Figura 44 - Sugest o para o alinhamento

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14.2 Objetivos

Familiariza o c/ o instrumento e alinhamento de seus elementos. Uso do interfer metro para medidas precisas de pequenos deslocamentos, l de fontes monocromticas, compara o de superfcies planas, medida de comprimento de coerncia de diversas fontes luminosas e ndice de refra o de gases. 14.3 - Procedimento experimental 14.3.1 Alinhamento

O feixe direto emitido pelo Laser constitui um fino raio intenso, monocromtico e coerente que facilita o alinhamento (fig.44). A idia aqui a de alinhar os espelhos de modo que a reflex o de cada um deles volte exatamente pelo mesmo caminho, o que pode ser verificado observando as reflex es sobre o cart o c/ furo.

Quando os espelhos est o alinhados (Perpendiculares entre si) as duas reflex es sobre S, voltam passando pelo furo.

Observe que o espelho A2 possue apenas 1 grau de liberdade e o espelho A1 possue 2. Logo para que as reflex es retornem ao Laser, a reflex o do espelho 2 s pode ser ajustada deslocando todo o equipamento ( A base toda), s depois ajusta-se a reflex o do espelho 1 atravs dos parafusos.

Na condi o de alinhamento perfeito, devem-se observar crculos de interferncia. Para ligeiros desalinhamentos se observam franjas aproximadamente retas e paralelas. Estas figuras de interferncia s o mais fceis de se observar com uma fonte extensa ou com um feixe expandido. Por esta raz o, depois do alinhamento inicial utilizamos uma lente divergente para expandir o feixe Laser, permitindo assim observar no anteparo o padr o de interferncia. O ajuste feito alinhando com cuidado o espelho 1, de modo a se observar o padr o na forma de crculos.

importante lembrar que a distribui o luminosa do feixe Laser n o uniforme, mas sim Gaussiana, ou seja, mais intensa no centro do que nas bordas. Assim, o encontro da borda de um feixe com o centro de outro produz franjas de menor visibilidade.

14.3.2 Escala do parafuso micromtrico

Devido ordem de grandeza dimensional que operada no interfer metro (350nm) necessrios um sistema mec nico que permita o deslocamento do espelho com bastante suavidade. Conforme pode ser observado no equipamento, o espelho deslocado atravs de um sistema de redu o por alavanca, conjugado com um parafuso micromtrico. A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm, e o espelho atravs da alavanca caminha aproximadamente 5 vezes menos ( Os equipamentos n o s o exatamente iguais).

A cada duas voltas do parafuso, sua ponta desloca 1mm. (0,5mm por volta) A escala do tambor do parafuso divide 1mm em 100 partes (0.01 mm por divis o).

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14.3.3 Calibra o do parafuso micromtrico Determina o da rela o de redu o R = D Lparafuso / D Lespelho ou R = no divis es parafuso /D Lespelho. I

Iluminando o interfer metro com a luz extensa do Laser de He-Ne e inclinando levemente o espelho para se obter franjas quase retas, desloca-se o parafuso do espelho m vel um certo nmero de divis es e conta-se o nmero de franjas de interferncia que passam pelo centro do campo de vis o.

Figura 45 - Sistema de redu o dos movimentos

Cada interfer metro possue uma raz o de redu o R entre os movimentos do

parafuso micromtrico e o espelho m vel, o valor desta raz o dever ser determinada com precis o (Fazer vrias leituras e depois um tratamento estatstico). Obs.1 - Cada franja que aparece ou desaparece no campo de vis o, representa um deslocamento do espelho m vel de l/2. Obs. 2 - O Laser de He-Ne tem l = 632.8 nm (6328 A) 14.3.4 Determina o do l de uma fonte espectral

Depois de conhecida a geometria do equipamento, possvel atravs de um processo inverso ao que foi feito, determinar-se o l de uma outra linha espectral, atravs da contagem das franjas interferomtricas (R = D L parafuso / D L espelho).

Substituindo-se o Laser por uma l mpada espectral, selecione o l que se deseja determinar, interpondo um filtro para selecionar uma faixa desejada, coloque no suporte do interfer metro uma placa de vidro despolido para espalhar a luz e incline levemente o espelho m vel para tornar as franjas aproximadamente retas. As franjas n o ser o mais projetadas na parede, s poder o ser vistas diretamente no equipamento.

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14.3.5 Determina o do Dl das linhas do Na

Substituindo-se a fonte de luz por uma l mpada de s dio, coloque no suporte do interfer metro uma placa de vidro despolido para difundir a luz e incline levemente o espelho m vel para tornar as franjas mais ou menos retas.

Figura 46 - Curva de contraste dos anis

Devido proximidade dos ls das duas linhas amarelas do s dio, aparece um

padr o de franjas cuja visibilidade aumenta e diminui periodicamente (Fig. 46) ao variarmos bastante a dist ncia entre os espelhos atravs do parafuso micromtrico.

Observando a dist ncia que o espelho m vel caminha, determine T usando o DL do parafuso micromtrico e a R j aferida entre os mximos de contraste (ou mnimos que s o mais fceis de discriminar), para calcular o Dl das duas linhas amarelas do s dio . Obs. Para o clculo usar o lmdio medido ou consultar uma tabela. 14.4 Resumo do roteiro sugerido a) - Alinhar o interfer metro (Observe os reflexos no Laser). b) - Encontrar as franjas de interferncia usando-se o Laser de He-Ne com um expansor. c) - Contar aproximadamente 300 franjas, note que o erro ser menor se o no de franjas coincidir com um no de divis es no parafuso completas e plotando um grfico de vrias medidas. Determinar a raz o de redu o parafuso/espelho. d) - Usando a raz o encontrada no item anterior, determine o l de alguma das linhas espectrais do Hg ou o lmdio do Na (Contar aproximadamente 200 franjas). Observe que as franjas n o ser o mais projetadas, e sim observadas dentro do equipamento - Usar um filtro p/ (selecionar a faixa espectral desejada). e) - Usando a l mpada de Na, determine a diferen a de comprimento de onda Dl do "dublet", n o contar as franjas, apenas observar os ciclos de contraste. f) Usando um Laser ou uma l mpada de luz branca, encontre a condi o de Diferen a de caminho tico nulo (DCON) onde haver franjas policromticas. g) Determinar o ndice de refra o do ar. h) Se a placa compensadora for removida, o que ocorrer explique.

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14.4.1 Medidas de pequenas diferen as de comprimento de onda

A figura 47 representa num esquema resumido, alguns elementos importantes para a forma o da figura de interferncia pelo interfer metro de Michelson. S1 e S2 s o as duas imagens virtuais, formadas pelos dois espelhos, da fonte de luz a ser analisada pelo instrumento. A figura de interferncia, na forma de anis concntricos claros e escuros forma-se no anteparo A e centrada no ponto P. Imaginemos agora que cada uma das fontes virtuais (de mesma potncia) emita em duas freq ncias muito pr ximas w1 e w 2, sendo w 1>w2.

Figura 47 - Forma o da figura de interferncia

Suponhamos que para a freq ncia w1 a intensidade no ponto P seja mxima, o

que implica (ver equa es para o interfer metro) em: d = (m + 1/2) l1 m = 0,1,2,... (1) Onde d dist ncia entre as duas imagens (S1 e S2) e l1 o comprimento de onda associado freq ncia w1. Suponha que ao mesmo tempo em que isto acontece, a intensidade em P para a freq ncia w2 seja mnima (zero), o que implica em: d = m l2 = 2m l2/2 m = 0,1,2,... (2) onde l2 o comprimento de onda associado w2.

Estas duas ltimas equa es, quando satisfeitas simultaneamente para a dist ncia d significam que o anteparo est uniformemente iluminado pelas duas fontes, pois onde existe um mnimo de interferncia para w2 (anel escuro), existir um mximo para w1 (anel claro) e vice-versa. Chamaremos esta condi o de condi o de anticoincidncia de anis.

Nesta condi o, podemos afirmar que no comprimento d cabe exatamente um nmero mpar de meios comprimentos de onda l1 e um nmero par de meio comprimento de onda l2. [Ver eqs. (1) e (2)]. Como a raz o d/(l1/2) um nmero mpar, e d/(l2/2) um nmero par, teremos evidentemente: [d/(l1/2)] - [d/(l2/2)] = nmero mpar = N. (3). Se o espelho m vel do interfer metro for agora deslocado de tal forma que surja a nova condi o de anti-coincidncia, teremos: [d/(l1/2)] - [d/(l2/2)] = N + 2 (4) porqu N + 2 o nmero mpar mais pr ximo que se segue a N. Nesta equa o, d a nova dist ncia entre as imagens virtuais S1 e S2. Subtraindo a eq. (3) da eq. (4) e fazendo D = d- d, teremos: (2D/l1) - (2D/l2) = 2 . (5)

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Como l1 = l m - Dl /2 e l2 = l m + Dl /2, onde lm = (l1 + l2)/2, e Dl = l2 - l1, deduz-se imediatamente que: D l(lm)

2/D (6) onde se considerou (Dl )2 0 devido D l

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Para que seja possvel fazer a medida do ndice de refra o de um gs, uma cela deve ser fixada firmemente no lado do bra o varivel do interfer metro, de modo que n o haja nenhum movimento principalmente devido tra o das mangueiras (fig. 48).

O interfer metro dever ser alinhado com um Laser ou uma l mpada de Hg at que as franjas se tornem circulares. Ligar a bomba de vcuo e abra a vlvula lentamente para que haja tempo de registrar os dados at que o sistema esteja vazio, A sugest o do procedimento, que um observador conte as franjas e outro anote a press o do gs, o que pode ser feito a cada 5 franjas.

Um term metro poder ser acoplado cela para anotar varia es de sua temperatura. A leitura do man metro plotada com o nmero de franjas nos fornecer uma reta de onde poderemos obter o valor dN/dP ( dN a varia o do no de franjas e o dP varia o de press o). Se o comprimento da cela for l, a varia o do caminho ptico com a admiss o do gs de ndice de refra o n ser de 2 l ( n -1 ) e o nmero de franjas contadas ser de 2 l ( n-1 ) /l , onde l o comprimento de onda da luz usada no experimento.

O ndice de refra o do gs depende quase que inteiramente da densidade e n o da press o e da temperatura separadamente. Notar que somente as diferen as de press o devem ser consideradas Um outro mtodo, consiste em determinar o DCON antes de introduzir o gs na cela (cela com ar ou vcuo) , e o novo DCON com o gs a ser determinado, ent o a partir do deslocamento do espelho entre as duas situa es, possvel calcular o ndice de refra o do gs.

Para que as medidas sejam confiveis n o esquecer de: a) Desvios da lei de gs ideal assumida no modelo matemtico. b) Mudan a nas dimens es da cela devido press o atmosfrica quando estiver em vcuo. c) Influncia da umidade relativa do ar. d)Varia es dimensionais do interfer metro durante as medidas. 1155 -- SSeennssoorreess ddee TTeemmppeerraattuurraa

O controle de temperatura necessrio em processos industriais ou comerciais, como a refrigera o de alimentos e compostos qumicos, fornos de fus o (produ o de metais e ligas, destila o fracionada (produ o de bebidas e derivados de petr leo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domsticos (fornos eltricos e microondas, freezers e geladeiras)).

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15.1 - Medi o de temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metlicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogneas. Os fios s o soldados em um extremo ao qual se d o nome de junta quente ou junta de medi o. A outra extremidade dos fios levada ao instrumento de medi o de f.e.m. (for a eletromotriz), fechando um circuito eltrico por onde flui a corrente.

O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medi o chamado de junta fria ou de referncia.

Figura 49 Partes de um Termopar

O aquecimento da jun o de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este

princpio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utiliza o de termopares para a medi o de temperatura. Nas aplica es prticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima.

O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura (DT) existente entre as juntas quente e fria, ser de um modo geral indicado, registrado ou transmitido.

15.1.2 Efeitos Termoeltricos

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares s o conectados e as jun es mantidas a diferentes temperaturas, quatro fen menos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta.

A aplica o cientfica e tecnol gica dos efeitos termoeltricos muito importante e sua utiliza o no futuro cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoeltricas dos semicondutores e dos metais levam, na prtica, aplica o dos processos de medi es na gera o de energia eltrica (bateria solar) e na produ o de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoeltricos uma das importantes aplica es do efeito Seebeck.

Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do efeito Peltier, em grande escala, para obten o de calor ou frio no processo de climatiza o ambiente.

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15.1.2.1 Efeito termoeltrico de Seebeck

O fen meno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J. Seebeck quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circula o de corrente enquanto existir um diferen a de temperatura DT entre as suas jun es. Denominamos a junta de medi o de Tm, e a outra, junta de referncia de Tr. A existncia de uma f.e.m. trmica AB no circuito conhecida como efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referncia mantida constante, verifica-se que a f.e.m. trmica uma fun o da temperatura Tm da jun o de teste. Este fato permite utilizar um par termoeltrico como um term metro.

Figura 50 Efeito Termoeltrico Seebeck

O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os eltrons livres de um metal

diferem de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando dois condutores diferentes s o conectados para formar duas jun es e estas s o mantidas a diferentes temperaturas, a difus o dos eltrons nas jun es se produz a ritmos diferentes.

15.1.2.2 Efeito termoeltrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as jun es mesma temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das jun es variam em uma quantidade n o inteiramente devida ao efeito Joule. Esta varia o adicional de temperatura o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo pr prio par termoeltrico.

Figura 51 Efeito Termoeltrico Peltier

O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma

jun o, sendo independente da temperatura da outra jun o.O calor Peltier reversvel. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm em sentido oposto.

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15.1.2.3 Efeito termoeltrico de Thomson

Em 1854, Thomson conclui, atravs das leis da termodin mica, que a condu o de calor, ao longo dos fios metlicos de um par termoeltrico, que n o transporta corrente, origina uma distribui o uniforme de temperatura em cada fio.

Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribui o de temperatura em uma quantidade n o inteiramente devida ao efeito Joule. Essa varia o adicional na distribui o da temperatura denomina-se efeito Thomson.

O efeito Thomson depende do metal de que feito o fio e da temperatura mdia da pequena regi o considerada. Em certos metais h absor o de calor, quando uma corrente eltrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que h gera o de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto , h libera o de calor quando uma corrente eltrica flui da parte quente para a parte fria do metal. Conclui-se que, com a circula o de corrente ao longo de um fio condutor, a distribui o de temperatura neste condutor se modificar, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson.

15.1.2.4 Efeito termoeltrico de Volta

A experincia de Peltier pode ser explicada atravs do efeito Volta enunciado a seguir: Quando dois metais est o em contato a um equilbrio trmico e eltrico, existe entre eles uma diferen a de potencial que pode ser da ordem de Volts.

Esta diferen a de potencial depende da temperatura e n o pode ser medida diretamente.

15.1.3 Leis Termoeltricas

Da descoberta dos efeitos termoeltricos partiu-se atravs da aplica o dos princpios da termodin mica, a enuncia o das trs leis que constituem a base da teoria termoeltrica nas medi es de temperatura com termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fen menos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

15.1.3.1 Lei do circuito homogneo

A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoeltrico de dois metais diferentes, com suas jun es as temperaturas T1 e T2, independente do gradiente de temperatura e de sua distribui o ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende nica e exclusivamente da composi o qumica dos dois metais e das temperaturas existentes nas jun es.

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Figura 52 Lei do circuito homogneo

Um exemplo de aplica o prtica desta lei que podemos ter uma grande

varia o de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta n o influir na f.e.m. produzida pela diferen a de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante a diferen a de temperatura entre as juntas.

15.1.3.2 Lei dos metais intermedirios

A soma algbrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um nmero qualquer de metais diferentes zero, se todo o circuito estiver mesma temperatura". Deduz-se da que um circuito termoeltrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida n o ser alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genrico, desde que as novas jun es sejam mantidas a temperaturas iguais.

Figura 53 Lei dos metais Intermedirio

Onde se conclui que: T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2

Um exemplo de aplica o prtica desta lei a utiliza o de contatos de lat o ou cobre, para interliga o do termopar ao cabo de extens o no cabe ote.

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15.1.3.3 Lei das temperaturas intermedirias

Figura 54 Lei das Temperaturas Intermediaria

A f.e.m. produzida em um circuito termoeltrico de dois metais homogneos e diferentes entre si, com as suas jun es s temperaturas T1 e T3 respectivamente, a soma algbrica da f.e.m. deste circuito, com as jun es s temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as jun es as temperaturas T2 e T3.

Um exemplo prtico da aplica o desta lei, a compensa o ou corre o da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

15.1.4 Correla o da F.E.M. em Fun o da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composi o qumica dos condutores e da diferen a de temperatura entre as juntas, isto , a cada grau de varia o de temperatura, podemos observar uma varia o da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correla o entre temperatura e a f.e.m., por uma quest o prtica padronizou-se o levantamento destas curvas com a junta de referncia temperatura de 0 C.

Figura 55 Grfico de Temp X mV

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Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prtica Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90, para os termopares mais utilizados.

A partir dessas tabelas podemos construir um grfico conforme a figura a seguir, onde est relacionadas a milivoltagem gerada em fun o da temperatura, para os termopares segundo a norma ANSI, com a junta de referncia a 0 C.

15.1.5 Tipos e Caractersticas dos Termopares

Existem vrias combina es de dois metais condutores operando como termopares. As combina es de fios devem possuir uma rela o razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m. devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudan a de temperatura, que seja detectvel pelos equipamentos normais de medi o.

Foram desenvolvidas diversas combina es de pares de Ligas Metlicas, desde os mais corriqueiros de uso industrial, at os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laborat rio.

Essas combina es foram feitas de modo a se obter uma alta potncia termoeltrica, aliando-se ainda as melhores caractersticas como homogeneidade dos fios e resistncia a corros o, na faixa de utiliza o, assim cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que se tenha a maior vida til do mesmo. Podemos dividir os termopares em trs grupos, a saber:

- Termopares Bsicos - Termopares Nobres - Termopares Especiais

15.1.5.1 Termopares bsicos

S o assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios s o de custo relativamente baixo e sua aplica o admite um limite de erro maior.

15.1.5.1.1 TIPO T Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI CC - Adotado pela Norma JIS Cu - Co Cobre - Constantan Liga: (+) Cobre - (99,9 %) (-) Constantan - S o as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo entre Cu (50 %) e Ni (35 %). A composi o mais utilizada para este tipo de termopar de Cu (58 %) e Ni (42 %). Caractersticas:

Faixa de utiliza o: - 200 C a 370 C F.e.m. produzida: - 5,603 mV a 19,027 mV

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Aplica es: Criom