GRANDEZAS FÍSICAS, INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS DE … · ESTUDOS DE CASOS ... Grandezas Físicas, Instrumentos e Equipamentos de Medição e Teste . 8 Obs: A sensibilidade do aparelho

PCO

PROGRAMA DE CERTIFICAÇÃO OPERACIONAL CST

GRANDEZAS FÍSICAS, INSTRUMENTOS E

EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO E TESTE

ELABORAÇÃO: DEZEMBRO/ 04

CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão

FDH - Departamento de Recursos Humanos

FHD - Divisão de Desenvolvimento e Remuneração

Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, 930, Jardim Limoeiro - Serra - ES.

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Telefone: 0 XX (27) 3348-1420

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Sumário

1. MULTÍMETRO ........................................................................................................................................ 7

1.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS .......................................................................................................................... 7 1.1.1. Galvanômetro........................................................................................................................... 7

1.2 MEDIDORES DE CORRENTE: AMPERÍMETROS..................................................................................... 8 1.2.1. Resistor Shunt ou de derivação ................................................................................................ 8

1.3 MEDIDOR DE D.D.P: VOLTÍMETRO.................................................................................................... 10 1.4 MEDIDA DE RESISTÊNCIA ................................................................................................................ 11

1.4.1. Ohmímetro série..................................................................................................................... 11 2. MEGÔMETRO ....................................................................................................................................... 12

2.1 EXEMPLOS DE MEGÔMETROS ELETRÔNICOS.................................................................................... 15 3. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ........................................................................................................ 16

3.1. ESCALAS DE TEMPERATURA ............................................................................................................ 16 3.2. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE EFEITOS MECÂNICOS ...................................................... 16 3.3. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA...................................................................................... 17 3.4. VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS ........................................................................................... 21 3.5. TERMISTORES .................................................................................................................................. 21 3.6. MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS COM TERMOPARES. ........................................................................... 22

3.6.1. Fundamentos Teóricos ........................................................................................................... 22 3.6.2. Leis Termoelétricas................................................................................................................ 23 3.6.3. 2 ª Lei Termoelétrica ou Lei das Temperaturas ..................................................................... 24 3.6.4. Circuito de Termopar e Medição de f.e.m.............................................................................. 24 3.6.5. Potência Termoelétrica .......................................................................................................... 25 3.6.6. Termopares Comerciais ......................................................................................................... 26 3.6.7. Fios de compensação ............................................................................................................. 27 3.6.8. Circuitos Especiais................................................................................................................. 28

3.6.8.1. Associação em Série.......................................................................................................................... 28 3.6.8.2. Associação em Paralelo..................................................................................................................... 28 3.6.8.3. Termopar Diferencial ........................................................................................................................ 29

3.6.9. Precisão dos Termopares....................................................................................................... 29 3.6.10. Proteção dos Termopares ...................................................................................................... 31 3.6.11. Calibração - Padrão de Temperatura.................................................................................... 31 3.6.12. "Constante de Tempo" de um Termopar ................................................................................ 31

4. PIRÔMETRO.......................................................................................................................................... 32 4.1 PIRÔMETRO DE RADIAÇÃO INFRAVERMELHO (I.V.) ......................................................................... 32

4.1.1. Introdução.............................................................................................................................. 32 4.1.2. A radiação do corpo negro .................................................................................................... 33 4.1.3. Pirômetros de radiação.......................................................................................................... 36

4.2 TERMÓGRAFOS ................................................................................................................................ 41 5. HIGRÔMETRO...................................................................................................................................... 43

5.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 43 5.2 HIGRÔMETRO DE FIO DE CABELO ..................................................................................................... 43 5.3 HIGRÔMETRO DE BULBOS SECO E ÚMIDO ......................................................................................... 44 5.4 MODELOS DE HIGRÔMETROS ........................................................................................................... 45

6. DENSÍMETRO ....................................................................................................................................... 45

6.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 45 6.2 RESUMO........................................................................................................................................... 48 6.3 EXEMPLO DE DENSÍMETROS............................................................................................................. 48

7. MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO.................................................................................................................. 49 7.1. PERIODICIDADE DAS MEDIÇÕES ....................................................................................................... 49 7.2. NÍVEIS DE ALARME .......................................................................................................................... 50 7.3. ESTUDOS DE CASOS ......................................................................................................................... 51

7.3.1. Desbalanceamento de massa.................................................................................................. 51 7.3.2. Desalinhamento de acoplamento ........................................................................................... 51 7.3.5. Vibrações causadas por defeito em rolamentos..................................................................... 54

8. PAQUÍMETRO....................................................................................................................................... 55 8.1. TIPOS DE PAQUÍMETROS .................................................................................................................. 57 8.2. TIPOS DE MEDIDAS FEITAS COM PAQUÍMETRO.................................................................................. 58

9. MICRÔMETROS ................................................................................................................................... 59 9.1. ERROS DO PASSO DA ROSCA............................................................................................................ 59 9.2. TIPOS DE MICRÔMETROS: ................................................................................................................ 62 9.3. MEDIDAS COM MICRÔMETROS ......................................................................................................... 63

9.3.1. Micrômetro digital ................................................................................................................. 63 9.4. FONTES DE ERROS............................................................................................................................ 63 9.5. CALIBRAÇÃO ................................................................................................................................... 64

10. MEDIDORES DE NÍVEL ...................................................................................................................... 65 10.1. SENSORES CAPACITIVOS.................................................................................................................. 65 10.2. SENSORES MECÂNICOS.................................................................................................................... 66

11. MEDIDORES DE FLUXO..................................................................................................................... 66 11.1. MEDIDOR DE FLUXO COM PRINCÍPIO DO PISTÃO EXCÊNTRICO.......................................................... 67 11.2. MÉTODOS DE OBSTRUÇÃO DE FLUXO.............................................................................................. 67 11.3. MEDIDORES DE FLUXO POR ARRASTE .............................................................................................. 69 11.4. MEDIDOR DE FLUXO DO TIPO TURBINA............................................................................................ 69 11.5. MEDIDORES DE FLUXO BASEADOS EM EFEITO ULTRA-SÔNICO....................................................... 69

12. MEDIÇÃO DE PRESSÃO ..................................................................................................................... 70 12.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 70 12.2. INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESSÃO ......................................................................................... 71

12.2.1. Coluna de líquido................................................................................................................... 71 12.2.2. Pressão que atua em área conhecida - medição da força resultante..................................... 72 12.2.3. Medição de pressão a partir da medição de deformação, deslocamento .............................. 73

13. OSCILOSCÓPIO.................................................................................................................................... 79 13.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 79 13.2. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO ............................................................................................................. 79 13.3. OSCILOSCÓPIO DIGITAL ................................................................................................................... 84

14. VERIFICADORES E CALIBRADORES............................................................................................. 85

14.1. TIPOS............................................................................................................................................... 85 14.2. CONDIÇÕES DE USO ......................................................................................................................... 87 14.3. CONSERVAÇÃO................................................................................................................................ 87

15. ANALISADORES DE ENERGIA ......................................................................................................... 88

15.1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................... 87 15.2. TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕES DOS INTENS DE QUALIDADE........................................................... 88 15.3. TRANSITÓRIOS................................................................................................................................. 89 15.4. INTERRUPÇÕES E SAGS .................................................................................................................... 91 15.5. SOBRETENSÕES................................................................................................................................ 93 15.6. DESEQUILÍBRIOS DE TENSÕES.......................................................................................................... 95 15.7. DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA................................................................................................... 96 15.8. DISTORÇÕES HARMÔNICAS ............................................................................................................. 97 15.9. FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE TENSÃO .................................................................................... 100 15.10. VARIAÇÕES NA FREQÜÊNCIA DO SISTEMA ELÉTRICO .................................................................... 101

16. ENCODER............................................................................................................................................. 103

16.1. ENCODERS INCREMENTAIS ............................................................................................................ 103 16.2. ENCODRES ABSOLUTOS ................................................................................................................. 105

17. ESTETOSCÓPIO.................................................................................................................................. 107 18. GRANDEZAS FÍSICAS/ QUADRO GERAL DE UNIDADES........................................................ 108

18.1. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES....................................................................................... 108 18.2. OUTRAS UNIDADES ....................................................................................................................... 108

18.2.1. As Unidades fora do SI Admitidas no QGU são de duas Espécies ...................................... 108 18.3. PRESCRIÇÕES GERAIS .................................................................................................................... 109

18.3.1. Grafia dos Nomes das Unidades .......................................................................................... 109 18.3.2. Grafia dos Símbolos de Unidades ........................................................................................ 110 18.3.3. Grafia dos Números ............................................................................................................. 111 18.3.4. Grandezes Expressas por Valores Relativos........................................................................ 113

19. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................ 127

7

1. MULTÍMETRO Este aparelho reúne os três medidores: Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro.

Para selecionar o instrumento que se fará uso basta usar a chave rotativa

seletora que se encontra no centro do aparelho.

1.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS Os instrumentos básicos mais usados em medidas elétricas têm como princípio o Galvanômetro.

Abaixo descreveremos este instrumento básico para podermos ter a noção de sua importância para a

eletricidade.

1.1.1. GALVANÔMETRO

É um receptor ativo que tem por objetivo à comparação de intensidade de correntes elétricas. É um

aparelho de medida que, por ter sua resistência elétrica interna muito pequena, não deve ser

percorrido por elevadas intensidades de corrente, caso contrário poderá ter por conseqüência a

provável queima de sua bobina interna, a não ser que lhe seja ligado em paralelo um resistor com

valor apropriado.

Conforme o modo como se acopla o resistor, em paralelo ou série, o galvanômetro pode medir

intensidade de corrente ou diferenças de potencial.

Para o galvanômetro são duas as principais características que devem ser levadas em conta:

1) Corrente de fundo de escala, (Igm) - é valor máximo de intensidade de corrente elétrica que

provê o máximo de deflexão do ponteiro do instrumento.

2) Resistência do Galvanômetro (Rg) - é a resistência elétrica do fio condutor que constituí a bobina

móvel do instrumento.

Grandezas Físicas, Instrumentos e Equipamentos de Medição e Teste

8

Obs: A sensibilidade do aparelho depende de (Igm) e é definida como sendo o inverso do fundo de

escala.

1.2 MEDIDORES DE CORRENTE: AMPERÍMETROS Para o uso de um medidor de corrente (Amperímetro, Miliamperímetro ou Microamperímetro) o

mesmo deve ser ligado em série no ramo do circuito onde se deseja medir a corrente. Sua

resistência interna deve ser pequena para que não altere a corrente a medir.

Obs: 1) A faixa de medida para galvanômetros comerciais situa-se entre: 1µA a 1 mA.

Tendo em vista a pequena faixa de medida dos galvanômetros, é necessário que aumentemos a

mesma para que medidas de correntes maiores sejam possíveis. Para isso um dos métodos mais

comuns é a colocação de um resistor ôhmico em paralelo com o galvanômetro, denominado resistor

de derivação ou “shunt”.

1.2.1. RESISTOR SHUNT OU DE DERIVAÇÃO

As dificuldades em se utilizar um galvanômetro se traduzem em duas situações:

a) O galvanômetro, já que possui resistência interna, modifica a corrente que passa pelo ramo onde

o mesmo é inserido.

b) É um instrumento frágil que só permite medidas de corrente muito pequenas.


9

Consegue-se eliminar, na prática, esses problemas associando à resistência interna do galvanômetro

(Rg), uma outra resistência (Rs) em paralelo, muito menor que (Rg). Esta resistência é denominada

shunt ou derivação do galvanômetro.

Analisando o circuito, podemos chegar às expressões:

Resumindo:

1. A resistência shunt (Rs) é ligada em paralelo com o galvanômetro;

2. Estando (Rs) em paralelo com a resistência interna do galvanômetro, e sendo muito menor do

que (Rg), a resistência equivalente à associação, ou seja, a resistência dos instrumentos de

medida será muito pequena e assim não interferirá na corrente que se deseja medir;

3. Pelo fato de (Rs) ser muito menor que (Rg), a maior parcela da corrente de intensidade (It) a ser

medida passa por (Rs), de modo a evitar danos ao galvanômetro;

4. A equação de correção é:


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1.3 MEDIDOR DE D.D.P: VOLTÍMETRO O Voltímetro é um instrumento que deve ser ligado em paralelo com o elemento do circuito cuja

d.d.p (diferença de potencial) se deseja determinar. Sua resistência interna deve ser muito grande

para não alterar a d.d.p a medir. O Voltímetro é um aparelho de alta sensibilidade: uma pequena

corrente é capaz de deslocar o seu ponteiro.

Acima vemos o diagrama de ligação de um Voltímetro medindo a d.d.p. sobre um resistor.

Como um galvanômetro tem uma resistência interna muito pequena e, que um Voltímetro deve ter

resistência interna muito grande, o que se faz para um galvanômetro funcionar como Voltímetro é

associar em série com ele uma resistência muito grande, a qual é denominado resistor multiplicador

(RM).

Analisando o circuito:


11

1.4 MEDIDA DE RESISTÊNCIA

1.4.1. OHMÍMETRO SÉRIE

Para se utilizar um Ohmímetro para medir resistência

elétrica de um resistor, pelo menos um dos terminais

do resistor deve estar desenergizado. A medida é

efetuada colocando o Ohmímetro em paralelo com o

componente.

Ao lado temos um esquema simplificado de um Ohmímetro.

Utilizando este esquema acima, vamos projetar um Ohmímetro que dê deflexão =0 no meio da

escala quando, sendo os dados do galvanômetro: Igm = 1mA.


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2. MEGÔMETRO

O megômetro é um instrumento de medidas elétricas destinado à medição da resistência de

isolamento dos dispositivos ou equipamentos elétricos (motores, transformadores, redes de

eletrodutos metálicos, cabos, etc...). Essa resistência de isolamento é normalmente de valores

elevados, na ordem de megohms (M.). O valor de 1 M. = 1 000 000.

Basicamente, os megômetro são constituídos pelos seguintes componentes:

a) Galvanômetro com bobinas cruzadas (A);

b) Bobinas móveis cruzadas (B

e B1);

c) Gerador de CC manual de

500 ou 1000 V (C);

d) Regulador de tensão;

e) Ponteiro;

f) Escala graduada;

g) Bornes para conexões

externas (L e T);

h) Resistores de amortecimento (R e R1).

O funcionamento do megôhmetro é baseado no princípio eletrodinâmico com bobinas cruzadas,

tendo como pólo fixo, um imã permanente e como pólos móveis às bobinas B e B1.

Quando a manivela do gerador de CC é girada obtêm-se uma tensão de valor variável, de acordo

com a velocidade que esteja sendo impressa à manivela. Essa tensão é enviada ao regulador de

tensão que a estabiliza em 500 ou 1000 V, sendo enviada aos bornes L e T.

Se os bornes L e T estiverem abertos, haverá circulação de corrente somente pela bobina B, que

recebe tensão através do resistor de amortecimento R.


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O campo magnético criado por essa bobina B faz um deslocamento do conjunto de bobinas móveis,

levando o ponteiro para o ponto infinito da escala graduada.

Se os bornes L e T estiverem

fechados em curto circuito

haverá circulação de corrente

também pela bobina B1, que

receberá tensão através do

resistor de amortecimento R1.

O campo magnético criado pela

bobina B1 será forte e oposto ao

criado pela bobina, o que fará

com que o conjunto de bobinas

móveis se desloque para outro

lado, levando o ponteiro para o

ponto zero da escala graduada.

Se os bornes L e T forem fechados através de um resistor Rx de valor elevado, a corrente que fluirá

pela bobina B1 terá uma intensidade menor, ocasionada pela queda de tensão no resistor Rx.

O campo magnético criado pela

bobina B1 terá uma intensidade

menor, porém ainda em oposição

ao campo criado pela bobina B.

Nessa situação o conjunto móvel

se deslocará levando o ponteiro

para um ponto intermediário da

escala graduada. Esse ponto intermediário é o valor da resistência ôhmica do resistor Rx.


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A escala do megôhmetro é graduada em megohms e a sua graduação não é homogênea.

A leitura da escala graduada do megômetro é direta, ou seja, basta localizar a posição do ponteiro

sobre a escala graduada e fazer a leitura.

O ponteiro está localizado sobre o número 20. Portanto, Ri = 20 M.


15

O ponteiro está localizado sobre o número 1,4. Portanto, Ri = 1,4 M.

2.1 EXEMPLOS DE MEGÔMETROS ELETRÔNICOS


16

3. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA

3.1. ESCALAS DE TEMPERATURA a) Celsius

b) Fahrenheit

c) Kelvin

TC = Temperatura em Celsius

TF = Temperatura em Fahrenheit

TK = Temperatura em Kelvin

Relações de Escalas:

3.2. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE EFEITOS MECÂNICOS Alguns instrumentos para medição de temperatura podem ser classificados como mecânicos. O

termômetro de mercúrio líquido é um exemplo muito popular de termômetro, com efeito, mecânico.

O mecanismo deste tipo de termômetro é baseado no coeficiente de dilatação térmica.

O líquido que está dentro de um bulbo começa a se expandir com o aumento da temperatura e é

obrigado a passar por um tubo capilar feito geralmente num vidro devidamente graduado. Observa-

se que a expansão vista na escala é a diferença entre a dilatação do líquido e do bulbo de vidro.

De acordo com referências do NBS - USA (National Bureau of Standard), a sensibilidade deste tipo

de termômetro pode alcançar medidas de ± 0,05 °C. Dentro desta classe de instrumentos é possível

ainda incluir os bimetálicos. Esses sensores constituem-se de duas lâminas de metais com

coeficientes de dilatação térmica diferentes fixadas uma a outra.


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Quando imerso em um ambiente sob temperatura, as duas tiras de metal começam a se expandir, no

entanto uma delas irá aumentar seu comprimento mais que a outra resultando na deformação do

conjunto com a conseqüente formação de um raio que geralmente é utilizado para travar ou

destravar uma chave.

Devido ao seu baixo custo, uma aplicação bastante popular deste tipo de sensor pode ser encontrada

em termostatos, que por sua vez são bastante aplicados em sistemas de segurança.

3.3. TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA O termômetro baseado na variação de resistência elétrica é um dispositivo bastante preciso. Os

“termômetros de resistência” funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande

quantidade de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a

resistência com a temperatura, ao passo que semicondutores podem também diminuir a resistência

com a temperatura, como está mostrado na fig. 1.

Fig. 1 - Variação da resistência com a temperatura. Observa-se que para uma mesma variação de

temperatura, a variação de resistência do metal (Rm) é significativamente menor do que a

semicondutor no NTC (Rs).


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Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de

leitura. No caso dos metais, o elemento sensor é normalmente feito de Platina com o mais alto grau

de pureza e envolto em bulbo de cerâmica ou vidro. As termoresistências, mais usadas nos dias de

hoje são as de Platina: Pt-25,5. /PT-100. / PT-120, PT-130./PT-500. Porém, o mais conhecido e

usado industrialmente é o PT-100 (a 0°C). Sua faixa de uso vai de -200 a 650 °C, conforme a norma

ASTM E1137.

Em função do erro de medição, são duas as classes de precisão adotadas para as termoresistências:

Classe A e Classe B (fig.2).

Geralmente, o bulbo de resistência é montado em uma módulo de aço inox, preenchido com óxido

de magnésio, de tal modo que haja uma ótima condução térmica e proteção do bulbo com relação a

choques mecânicos. A isolação elétrica entre o bulbo e o módulo obedece à mesma norma ASTM E

1137.

Fig. 2 -Desvios permitidos (erros em °C) em função da faixa de temperatura para termoresistências

de Pt.


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Sendo que o efeito termoresistivo consiste em explorar a variação da resistência elétrica produzida

por uma determinada variação de temperatura, o valor da resistência elétrica de um material, a uma

temperatura “t”, teoricamente, é dada por:

onde Ro é o valor da resistência do material a 0°C (ou a alguma outra temperatura de referência).

Os valores do coeficiente “b”, na maioria dos

materiais, exceto o níquel, podem ser considerados

como zero, assim, a curva resistência versus

temperatura é, teoricamente, linear; os valores de

“a”, para alguns tipos de materiais, podem ser

vistos na tabela 2.

Resistência/ coeficiente de temperatura.

O “termômetro de resistência” , como é chamado por alguns autores, é um instrumento composto

de um elemento sensor que apresenta uma alteração na sua resistência elétrica com qualquer

mudança na temperatura e um circuito condicionador, responsável por converter a alteração na

resistência elétrica do sensor em uma tensão elétrica correspondente.

As resistências elétricas dos cabos, dos contatos, etc., podem alterar o resultado da medida ao se

somarem à resistência do sensor. Desta maneira, existem vários tipos de montagens que podem ser

realizadas, buscando minimizar essas alterações: (a) dois fios, (b) três fios e (c) quatro fios.

A fig. 3 mostra a montagem de dois

fios; no caso dessa montagem, tem-se

uma ligação para cada terminal do

bulbo.

Normalmente, é aplicada em locais

onde o comprimento do cabo do sensor

até ao instrumento não ultrapassar 3,0

m, para bitola 20 AWG.


20

Na figura 4: montagem de três fios; nesse tipo de montagem, que é a mais utilizada industrialmente,

haverá uma compensação

da resistência elétrica

pelo terceiro fio.

Na montagem a quatro fios existem

duas ligações para cada lado da ponte,

anulando os efeitos dos cabos.

Alguns problemas de ordem prática com este tipo de sensor podem ser citados:

a) erros devidos a cabos e conexões

b) resposta limitada em função da "inércia térmica"provocada pela massa do invólucro,

c) geralmente de aço inox. É preciso aquecer primeiramente o invólucro para depois aquecer o

sensor

d) uma vez que uma corrente deve passar pelo sensor, existe a possibilidade do mesmo;

e) aquecer por dissipação de potência.


21

Algumas comparações com os termopares são inevitáveis.

3.4. VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS 1. mais precisa que o termopar na sua faixa de uso;

2. usando circuito adequado, podem ser usadas para medidas em grandes distâncias;

3. podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações;

4. são mais estáveis que os termopares;

5. sua curva de resistência elétrica em função da temperatura é mais linear que os termopares;

3.5. TERMISTORES Os termistores são sensores fabricados com materiais semicondutores como óxido de magnésio ou

cobalto; em aplicações que exigem alta precisão, o semicondutor utilizado pode ser o silício ou o

germânio, dopados com algum outro material. Por serem construídos de material semicondutor,

possuem a grande vantagem de poderem ser fabricados em um tamanho físico muito pequeno. O

termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) é um sensor muito conhecido e encontrado

no mercado com uma variedade muito grande no tipo construtivo e nos valores de resistência. Já o

termistor de coeficiente positivo (PTC), é mais raro de ser encontrado, dada sua complexidade no

aspecto construtivo. A resistência destes elementos sensores segue uma variação exponencial com a

temperatura. Desta forma. Uma equação adequada e muito comum para descrever seu

comportamento é:

Onde R0 é a resistência à temperatura de referência T0 e â é uma constante determinada

experimentalmente. O valor numérico de â pode variar entre 3500 e 4600 K, dependendo do

material do termistor e da temperatura.

O termistor é um sensor muito sensível e performances com erros de até 0,01 °C podem ser

alcançados com calibração adequada.


22


Mesmo sendo muito sensível, obviamente, tem a desvantagem de ser não linear, o que obriga a

utilização de um sistema para prover o ajuste da temperatura em função da resposta do mesmo,

geralmente implementado na forma de programação de um sistema de aquisição de dados.

Os termistores NTC, ao inverso dos demais, diminuem sua resistência elétrica com o aumento da

temperatura. Uma das aplicações sugeridas para este dispositivo, por exemplo, é o uso do termistor

para aumentar a vida útil de grandes lâmpadas de tungstênio. Pode-se adaptar um termistor NTC em

série com a mesma, haja vista que a resistência do filamento de uma lâmpada de tungstênio, quando

fria, é menor que um décimo do seu valor quando quente e a súbita comutação desta lâmpada

diretamente à fonte de tensão encurtam sua vida útil.

Uma vez que a resistência dos termistores é muito alta, os erros devido a cabos e conexões é

desprezível. Adicionalmente, devido à alta resistência correntes muito baixas são resultantes, o que

minimiza os erros devido a auto-aquecimento.

Os termistores são semicondutores e desta forma são sujeitos a deteriorar-se em altas temperaturas,

e assim limitados para medições até 300°C.

Em relação à terminologia, na verdade, todos os sensores aqui estudados são termoresistores -

apresentam variação na resistência elétrica própria em função de variação de temperatura sofrida -,

mas por uma questão de praticidade, denomina-se termistores o NTC e PTC, e termoresistores o

Pt100 e Ni100.

3.6. MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS COM TERMOPARES.

3.6.1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois

metais diferentes “x” e “y” (ver Figura 1) e submetendo as junções “a” e “b” a diferentes

temperaturas T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mV) entre os

pontos a e b, denominada “tensão termoelétrica”. Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck".

23

Ou seja, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1,

tem-se um circuito tal que, se as junções “a” e “b” forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e

T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica “i” circulará pelo chamado "par

termoelétrico” ou "termopar".

Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m.

Uma conseqüência imediata do efeito Seebeck e o fato de que, conhecida a temperatura de uma das

junções pode-se, através da f.e.m. produzida, saber a temperatura da outra junção.

3.6.2. LEIS TERMOELÉTRICAS

1ª Lei Termoelétrica: a força eletromotriz "e" de um termopar depende somente da natureza dos

condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato.

Algumas conseqüências importantes desta 1a Lei:

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

b. - A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao

confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo se ali o

instrumento.


24 c. a f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro

metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é

chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários”.

Deve-se ter um cuidado todo especial com a junta de referência (chamado por muitos autores, de

junta fria), uma vez que a flutuação de sua temperatura pode acarretar erros nas aplicações práticas

dos termopares. Assim sendo, procura-se manter a junta de referência em locais onde ocorrem

pequenas flutuações de temperatura, usando-se, então, como referência, a própria temperatura

ambiente.

3.6.3. 2 ª LEI TERMOELÉTRICA OU LEI DAS TEMPERATURAS

Estabelece a relação entre as f.e.m. obtidas pelas diferentes temperaturas de referência.

3.6.4. CIRCUITO DE TERMOPAR E MEDIÇÃO DE F.E.M.

A Figura 2 mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicará uma

f.e.m proporcional à diferença (T1 - T2).Sendo que T2 pode ser medida com um termômetro

convencional.

Na Figura 3 pode-se notar que o voltímetro

somente irá informar a f.e.m. (e) se Rv >>

RT, uma vez que a tensão V lida no

voltímetro, pode ser escrita como:


25

Assim sendo, se RT for desprezível frente à Rv, V tenderá a å. Desta forma, a escolha do

instrumento adequado, requer um grande cuidado.

3.6.5. POTÊNCIA TERMOELÉTRICA

Fig. 4 - Curva de calibração de um par termoelétrico.

Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico

em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação

do tipo mostrado na Figura 4. A curva mostrada na Figura 4

é denominada de curva de calibração do par termoelétrico.

A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura,

normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de

temperatura, pode ser considerada como se o fosse (veja a reta 1 da Figura 4).

A partir do gráfico da Figura 4 pode-se definir uma grandeza denominada de potência

termoelétrica do termopar, dada por:

ou para um intervalo de temperatura:

A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (e) do par termoelétrico com a

variação de temperatura (T). Assim, se existem dois termopares, o primeiro com uma potência

termoelétrica de 50 mV/ oC e o segundo com 10 mV/ oC, para uma mesma faixa de temperatura,

prevalece à opção pelo primeiro, uma vez que este apresenta uma variação maior de e para cada

1oC, o que torna a medição mais fácil e, eventualmente, mais precisa.


26

3.6.6. TERMOPARES COMERCIAIS

A princípio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer; entretanto,

devido a uma série de fatores (contaminação, custos, repetibilidade, ponto de fusão,

homogeneidade, facilidade de produção, fácil soldagem, etc.), são oferecidas poucas combinações

no comércio.

Dentre os termopares comerciais pode-se citar:

Termopar:


27

3.6.7. FIOS DE COMPENSAÇÃO

Normalmente em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar estão relativamente

afastados um do outro. Desta forma, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma

espécie de cabeçote, e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente

com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento,

conforme mostra a Figura 5.

No diagrama apresentado na Figura 5, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que

os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um

único termopar). Observe que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo

instrumento seria proporcional a (T1 - T2).

Como os fios de compensação possuem praticamente as mesmas características dos fios do

termopar, é fundamental não trocá-los (em termos de polaridade) na hora de montar o termopar,

nem trocar os fios no terminal do instrumento.

Caso se tenha dúvida a respeito da polaridade dos fios de compensação basta seguir as

especificações do fabricante (normalmente obedecem a um código de cores) ou então conectar uma

de suas extremidades e aquecer a união, observando no instrumento a polaridade do sinal, corno se

fosse um termopar.


28

3.6.8. CIRCUITOS ESPECIAIS

3.6.8.1. ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE

Na termopilha, ou associação em série de termopares (ver Figura 6) a f.e.m. lida no instrumento é,

ou seja, equivale à soma das f.e.m. dos diversos termopares que a constituem. A

associação em série é principalmente usada nas medições de pequenas diferenças de temperaturas

(ou quando se pretende usar os termo pares como "conversores termos-elétricos").

3.6.8.2. ASSOCIAÇÃO EM PARALELO

Quando se deseja medir a temperatura média (associação em paralelo de fontes de tensão CC - na

realidade esse é um valor aproximado, o cálculo correto é mais complexo) de um circuito usa-se a

associação em paralelo de termopares, conforme mostra a Figura 7. Neste caso:


29

3.6.8.3. TERMOPAR DIFERENCIAL

Quando se está interessado em diferenças de temperatura e não nos valores absolutos (por exemplo,

as diferenças de temperatura existentes na câmara de um forno), e usual efetuar a montagem do

chamado "termopar diferencial" (ver Figura 8).

O nome do termopar diferencial é uma redundância, pois todo o termopar mede diferença de

temperatura; neste caso tem-se apenas uma montagem um pouco diferente do termopar

convencional.

3.6.9. PRECISÃO DOS TERMOPARES

Ao medir a temperatura de um forno com vários termopares provavelmente têm-se três resultados

diferentes; isto ocorre porque todo e qualquer componente possui um erro tolerável. No caso dos

termopares a normalização é efetuada pelo N.B.S. (National Bureau of Standards).


30

Assim sendo, se você está usando um termopar com fios de compensação e um milivoltímetro, a

imprecisão de sua medida decorre de três fatores, ou seja: imprecisão da medida = imprecisão do

termopar + imprecisão dos fios de compensação + imprecisão do instrumento (+ eventualmente o

erro da temperatura ambiente + o erro de resistência interna do voltímetro).


31


3.6.10. PROTEÇÃO DOS TERMOPARES

É usual proteger os materiais que compõem o termopar, evitando choques mecânicos,

contaminação, etc., através de tubos de proteção ou de outros dispositivos mais simples, como

miçangas.

* O fabricante fornece, sob encomenda, fios "especiais" (importados) com imprecisão menor.

3.6.11. CALIBRAÇÃO - PADRÃO DE TEMPERATURA

Dependendo do tipo de medição que será realizada os meios podem apresentar agressividade,

choques mecânicos, contaminação gasosa, etc. e os termopares em uso, talvez, necessitem ser

periodicamente calibrados. Diversos institutos de pesquisa e universidades possuem fornos

especiais e padrões com os quais devem ser realizadas as calibrações.

Os padrões seguidos são os seguintes:

a. termômetro de resistência de platina de -260oC a 630oC

b. termopar R ou S de 630°C a 1064oC

c. lei de Planck para radiação, pirômetro ótico ou de radiação - acima de 1064°C.

3.6.12. "CONSTANTE DE TEMPO" DE UM TERMOPAR

Quando se usa um termopar em medições nas quais a temperatura varia rapidamente, é preciso ter

certeza de que a "inércia térmica" do sensor não prejudicará ou invalidará as medições, ou seja, o

sensor devera possuir "velocidade de resposta" suficientemente grande, ou então não estará

medindo o fenômeno corretamente.

Dessa forma, ao analisar velocidades de têmpera, por exemplo, em peças metálicas jogadas num

líquido, procura-se usar termopar bem fino e, como os registradores convencionais não possuem

resposta suficiente rápida, usa-se um osciloscópio para analisar o sinal gerado pelo termopar, ou

mais modernamente, um computador com conversor A/ D adequado e software de aquisição e

processamento de dados.

32


A constante de tempo de um instrumento ou sensor pode ser definida como o "tempo necessário

para atingir 63,2% de mudança de uma certa variável tomada como inicial" - no caso poderia ser o

instante em que começa o resfriamento (definição semelhante a constante de tempo de um capacitor

quando esta sendo carregado). Quando se adquire um termopar, pode-se consultar o catálogo do

fabricante e obter este dado (que varia com a bitola e com o material dos fios do par).

4. PIRÔMETRO

4.1 PIRÔMETRO DE RADIAÇÃO INFRAVERMELHO (I.V.)

4.1.1. INTRODUÇÃO

Existe um grande número de aplicações industriais onde a medição sem contato se faz necessária

(termopares, Pt100, Ni100, NTC, bimetais, etc..., são sensores que medem a temperatura por

contato, ou seja, precisam estar colocados no ponto onde se pretende medir a temperatura). Como

exemplo, pode-se citar a laminação a quente, o forjamento a quente e a fundição. Esses

instrumentos precisam ser calibrados com um padrão muito especial: o “forno tipo corpo negro”

(fig. 1); uma vez calibrado o pirômetro de radiação o problema ainda não está resolvido porque o

forno tipo corpo negro tem emissividade 1, mas o material a ser forjado, por exemplo, tem

emissividade diferente de 1, e essa emissividade varia para cada material, depende das condições da

superfície, e outras variáveis. Desta maneira, para uma medição correta é necessário conhecer a

emissividade do material (e, eventualmente, avaliar outros fatores como a camada de óxido que se

forma na superfície do material, comumente chamada de “carepa”).

Infelizmente, a maioria das empresas brasileiras não está ciente do problema e, se, o pirômetro foi

comprado e veio da fábrica com a emissividade ajustada em 0,8, este valor ficar indefinidamente

escolhido, indiferentemente do material (geralmente o ajuste da emissividade é interno ao aparelho,

fato que obviamente não ressalta a necessidade da escolha do parâmetro adequado).

33

A temperatura é o parâmetro industrial mais importante; caso a temperatura de uso seja superior à

necessária, uma série de fatores negativos podem ser considerados:

a) custo financeiro adicional, aumentando o preço final do produto;

b) poluição térmica;

c) diminuição do tempo de vida do forno;

d) diminuição de tempo de vida da matriz de forjamento, por exemplo;

e) caso não haja um tratamento termo-mecânico posterior, as propriedades mecânicas e

metalúrgicas poderão não ser satisfatórias;

4.1.2. A RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO

Um corpo negro ideal é aquele que absorve (em todas temperaturas) toda a radiação que incide nele

e sua potência absorvida será 1, independentemente da direção da radiação; na prática, a maioria

dos corpos não se comporta dessa maneira e possui, conseqüentemente, uma potência absortiva

menor do que 1.

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

emite mais energia do que um corpo comum. Essa “potência emissiva” pode ser chamada

“emissividade” e no caso do corpo negro, vale 1. A emissividade total de um corpo é a potência

emissiva em toda a faixa de comprimentos de onda da radiação térmica.

Essa emissividade das superfícies não é a

mesma para todos os comprimentos de

onda; em geral, a emissividade é maior

em comprimentos de onda menores e a

emissividade de óxidos e outros materiais

refratários é maior para comprimentos de

onda maiores. Um irradiador que se

comporte como um corpo negro pode ser

obtido através de um dispositivo com

uma cavidade, como um forno, por

exemplo, (fig. 1), tendo uma pequena

abertura, por onde a radiação pode ser emitida. Fig. 1 - Forno tipo “corpo negro”.


34

Para entender como o sistema funciona como um corpo negro é necessário considerar uma radiação

entrando nessa pequena abertura. Essa radiação sofrerá múltiplas reflexões nas paredes internas do

forno, antes de escapar pela superfície.

Como as paredes internas do forno não refletem perfeitamente a radiação, em cada reflexão uma

parte da radiação é absorvida. Conseqüentemente, após muitas reflexões, a quantidade de radiação

que consegue escapar pela abertura é muito pequena. Portanto, a cavidade absorveu praticamente

toda a radiação incidente, comportando-se como um corpo negro (fig. 2).

Fig. 2 - Cavidade comportando-se como um corpo negro, após múltiplas reflexões.

Essa pequena cavidade também pode funcionar como um irradiador ideal = corpo negro;

considerando um corpo imerso num fluxo de energia radiante; caso esse corpo não irradie energia

numa velocidade igual à que ele emite, ele ficará mais aquecido do que o meio do qual ele recebe

energia. Na prática, um corpo somente está em equilíbrio térmico com o meio se a taxa de energia

recebida for igual à emitida e nesse caso, sua emissividade é igual à sua absorção. A pequena

abertura que se comporta como um corpo negro absorvedor, torna-se um corpo negro emissor.

A potência total do fluxo irradiado (para todos os comprimentos de onda) num hemisfério frontal,

através de uma área unitária, para o caso de um corpo negro ideal, é proporcional à quarta potência

(lei de Stefan-Bolzmann) da temperatura absoluta = graus Kelvin, e pode ser escrita:


35

onde é a constante de Stefan-Bozmann (5,67032x10-8 W.m2. K-4) e T é a temperatura em graus

Kelvin.

Quando um corpo é aquecido ele muda de cor; isso ocorre porque a distribuição da energia ocorre

numa faixa de comprimentos de onda, como mostra a fig. 3 a seguir.

Quando o corpo está numa temperatura próxima de 500 C sua cor é vermelha escura; a 900 C sua

cor é vermelho-cereja e alaranjada a cerca de 1.100 C. Sua cor torna-se praticamente branca acima

de 1.400 C (espectro visível). A lei de Wien diz que a intensidade máxima de irradiação ocorre a

um comprimento de onda específico, que diminui à medida que a temperatura aumenta:

onde é o comprimento de onda correspondente à radiação de máxima intensidade, e T é a

temperatura Kelvin.


36

4.1.3. PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO

Os instrumentos usados para medição de temperatura através da radiação emitida pelo corpo são

chamados de “pirômetros de radiação”. Existem diversas técnicas segundo as quais a temperatura

pode ser medida: radiação total, óticos, fotoelétricos e piroelétricos, sendo as três primeiras as mais

importantes. Mais recentemente, os pirômetros fotoelétricos praticamente tomaram conta do

mercado industrial.

Os pirômetros de radiação total, como o próprio nome diz, focalizam a radiação incidente (todos os

comprimentos de onda) sobre um sensor (fig. 4), que pode ser uma termopilha, um termoresistor,

NTC, etc... Os sensores geralmente são elementos enegrecidos de modo a absorverem o máximo da

energia incidente. O sinal de saída é, então, relacionado com a temperatura do corpo (uma vez

conhecida à curva de calibração, obtida com um forno tipo corpo negro).

Os pirômetros óticos medem temperatura por comparação: eles selecionam uma faixa específica da

radiação visível (geralmente o vermelho) e compara com a radiação de uma fonte calibrada,

normalmente o filamento de uma lâmpada incandescente. A escolha de filtro vermelho prende-se ao

fato de que com a cor vermelha consegue-se uma radiação praticamente monocromática, sem

perdas de intensidade, o que não se consegue com filtros de outras cores.


37

A lente objetiva é focalizada de modo a formar uma imagem do objeto no plano do filamento da

lâmpada; a ocular é focalizada sobre o filamento. Ambas as lentes estão simultaneamente em foco,

com o filamento do pirômetro atravessando a imagem da fonte de radiação, como mostra a fig. 5.

Ajustando a corrente do filamento (através de reostato adaptado ao corpo do pirômetro), faz-se

variar a intensidade da cor do filamento, até confundir-se com a cor do objeto. Ao invés de calibrar

a escala do reostato em corrente, calibra-se diretamente em temperatura.

Fig. 5 - Pirômetro ótico: a

radiação do objeto é

comparada com a intensidade

da cor do filamento da

lâmpada interna.

Tanto o pirômetro de radiação total como o ótico dificilmente se prestam para medições dinâmicas;

além disso, no caso do pirômetro ótico, a acuidade visual do operador pesa no resultado final, o que

não é interessante.

Os pirômetros fotoelétricos normalmente empregam sensores que atual na faixa do infravermelho,

e, portanto, abrangem uma faixa de temperatura maior do que os pirômetros de radiação total e

ótico; além disso, são mais rápidos, respondendo na casa dos milisegundos. Portanto, sensores de

infravermelho não só operam em altas temperaturas, mas também podem ser usados nos chamados

processos industriais a frio (forjamento, extrusão, trefilação, etc.). Sua faixa de uso pode ser descrita

de 0 a 3.600 °C.

Os pirômetros fotoelétricos possuem basicamente a mesma estrutura de um pirômetro de radiação

total, só que a termopilha, por exemplo, é substituída por um fotodiodo, e, conseqüentemente o

circuito de leitura/ processamento do sinal é um pouco diferente.

Os fotodiodos são junções P-N (Si ou Ge), onde a radiação incidente atinge a região da junção;

esses diodos são operados com tensão reversa, isso é, condição de não condução (ver aula prática

sobre diodos retificadores/ usos do osciloscópio).


38

Nessas condições, os elétrons não possuem energia suficiente para cruzar a barreira de potencial.

Entretanto, com a radiação incidente, a colisão dos fótons com os elétrons fará com que os elétrons

ganhem energia e cruzem a junção. A energia transportada pelos fótons depende de seu

comprimento de onda.A escolha de Si ou Ge depende da temperatura e conseqüentemente do

comprimento de onda a ser medido.

O Si tem uma resposta na faixa de 1,1 a 0,4 o Ge possui uma banda de 2,5 µm a 1

. Para aplicações acima de 600°C, o comprimento de onda usado situa-se na faixa dos 0,9

.

Todos esses pirômetros (ótico, radiação total, fotoelétrico) precisam de correção de leitura em

função da variação da temperatura ambiente; geralmente, um circuito baseado num NTC é

empregado com essa finalidade.

Outro aspecto relevante relacionado à medição com pirômetros de radiação diz respeito ao fato que

a superfície dos objetos, que se pretende medir a temperatura, não se comporta como um “corpo

negro”; dessa maneira é necessário fazer uma “correção” da emissividade.

Esse erro pode ser muito significativo devido à variedade de materiais usados industrialmente, bem

como das condições da superfície (polida,

oxidada.).

Fig. 6 - Correção da emissividade devido

ao fato de que os objetos reais não se

comportarem como corpos negros ideais.

Mostra também a correção da

temperatura para a emissividade. A

técnica de medição de medição de

emissividade é geralmente bastante

complexa.


39

Mais recentemente, surgiram os pirômetros de duplo comprimento de onda, que aparentemente

deveriam realizar a medida de temperatura independentemente do comprimento, mas estes

instrumentos também incorrem em erros de medição, apesar de menores do que os casos citados

anteriormente.

Esses instrumentos, entretanto, possuem um custo bastante superior (cerca de 3 a 4 vezes o de um

pirômetro fotoelétrico convencional).

A fig. 7 mostra o sinal obtido com termopar adaptado dentro de uma peça automotiva e o sinal

obtido com um pirômetro infravermelho; note-se que a diferença de temperatura é superior a 100 C.

Nesse caso, existe também o efeito da “carepa”, (óxido que se forma em volta do corpo), somado ao

fato da emissividade ser menor do que 1.

Para que se possa ter uma melhor idéia da influência do parâmetro emissividade, esse parâmetro é

mostrado na tab. 1, em função do tipo de material.


40

A fig. 8 mostra um pirômetro infravermelho; esse modelo possui mira de

“laser” mas não possui ajuste de emissividade, que pode ser ajustada em

outros modelos de pirômetro infravermelho.


41

4.2 TERMÓGRAFOS Os termógrafos são equipamentos mais sofisticados, que fornecem imagens térmicas, a partir de um

“array” de sensores de infravermelho; esse tipo de equipamento vem sendo empregado cada vez

com maior freqüência, devido às suas aplicações: numa indústria, poderia levantar o perfil térmico

(distribuição de temperatura) numa matriz de forjamento, por exemplo. Um limitador do seu uso é o

seu preço, sem dúvida, que fica na média entre U$ 30.000 e U$ 60.000,00.

A aplicação dos termógrafos tem aumentado

significativamente na área médica, principalmente na área de

diagnóstico; desta maneira, o diagnóstico termográfico é usado

para ortopedia, diabetes, doenças da pele (já que é possível

fazer uma imagem térmica da superfície do corpo humano),

doenças vasculares, pesquisas na área da dor, medicina

esportiva, etc... Também é possível usar essa técnica para

acompanhar o progresso do processo de recuperação dos

pacientes.


42


A inspeção termográfica (Termografia) é uma técnica não destrutiva que utiliza os raios

infravermelhos, para medir temperaturas ou observar padrões diferenciais de distribuição de

temperatura, com o objetivo de propiciar informações relativas à condição operacional de um

componente, equipamento ou processo. Em qualquer dos sistemas de manutenção considerados, a

termografia se apresenta como uma técnica de inspeção extremamente útil, uma vez que permite:

realizar medições sem contato físico com a instalação (segurança); verificar equipamentos em pleno

funcionamento (sem interferência na produção); e inspecionar grandes superfícies em pouco tempo

(alto rendimento).

Os aplicativos desenvolvidos para a posterior análise das informações termográficas obtidas, como

a classificação de componentes elétricos defeituosos, avaliação da espessura de revestimentos e o

cálculo de trocas térmicas, permitem que esses dados sejam empregados em análises preditivas.

Aplicações de termografia: Manutenção preditiva dos sistemas elétricos de empresas geradoras,

distribuidoras e transmissoras de energia elétrica; Monitoramento de sistemas mecânicos como

rolamentos e mancais; Vazamentos de vapor em plantas industriais;

Análise de isolamentos térmicos e refratários; Monitoramentos de processos produtivos do vidro e

de papel; Acompanhamento de performance de placas e circuitos eletrônicos;

Pesquisas científicas de trocas térmicas, entre outras possibilidades. Na indústria automobilística é

utilizada no desenvolvimento e estudo do comportamento de pneumáticos, desembaçador do pára-

brisa traseiro, no turbo, nos freios, no sistema de refrigeração, etc. Na siderurgia tem aplicação no

levantamento do perfil térmico dos fundidos durante a solidificação, na inspeção de revestimentos

refratários dos fornos.

A indústria química emprega a termografia para a otimização do processo e no controle dos reatores

e torres de refrigeração, a engenharia civil inclui a avaliação do isolamento térmico de edifícios e

determina detalhes construtivos das construções como, vazamentos, etc.

43

5. HIGRÔMETRO

5.1 INTRODUÇÃO Antes de estudarmos o instrumento Higrômetro, devemos conhecer como este instrumento

funciona:

O que é umidade relativa? O tempo depende não apenas dos ventos, mas também da umidade.

Muitas vezes no verão você diz que o ar está úmido, pesado. O ar "pesado" tem grande umidade

relativa; ele contém quase tanta umidade quanto pode conter. Quando um espaço contém todo o

vapor de água que pode conter a sua temperatura, sua umidade relativa é de 100 por cento. Se um

metro cúbico de ar contém 7 gramas de vapor de água, mas pode conter 14 gramas, sua umidade

relativa é de 50 por cento. Umidade relativa (U.R.) de um volume de ar é a relação entre peso de

vapor de água que ele contém e o que conteria se estivesse saturado.

A quantidade de vapor de água necessária para saturar um volume aumenta com a temperatura. A

tabela seguinte dá alguns pesos específicos (peso por unidade de volume) do vapor de água do ar

saturado a diversas temperaturas.

5.2 HIGRÔMETRO DE FIO DE CABELO O que um higrômetro mede? Um higrômetro indica umidades relativas. No higrômetro de cabelo

(Fig. 1) um fio de cabelo humano, preso em A, é enrolado no eixo B e fixo à mola C que o distende.

Quando a umidade do ar aumenta, o cabelo absorve água do ar e expande, fazendo rolar o eixo com

ponteiro ao ser distendido pela mola. O ponteiro indica a umidade relativa numa escala graduada.


44


5.3 HIGRÔMETRO DE BULBOS SECO E ÚMIDO Nos serviços de Meteorologia se usam freqüentemente higrômetros de

bulbos seco e úmido (Fig. 2); são formados por dois termômetros. Um termômetro tem o bulbo envolvido por um tecido molhado; o outro tem o bulbo seco. 0 termômetro de bulbo seco dá a temperatura real do ar. A água evaporando-se do bulbo úmido o resfria. Se o ar está seco, a água se evapora rapidamente, de modo que o bulbo úmido fica vários graus mais frio que o bulbo seco. Se o ar está úmido e sua umidade relativa é alta, a água se evapora lentamente e o bulbo úmido se esfria muito pouco.

Para determinar a umidade relativa com um higrômetro de bulbos seco e úmido,

você lê as duas temperaturas e determina a diferença. Por exemplo, se a

temperatura de sua sala de aula é de 27ºC e a diferença de temperatura entre o

termômetro de bulbo seco e o de bulbo úmido é de 6ºC, a umidade relativa será

de 59%.

45

5.4 MODELOS DE HIGRÔMETROS

6. DENSÍMETRO

6.1 INTRODUÇÃO O que produz o empuxo? A Fig. 1 mostra blocos cúbicos num tanque de água. O bloco superior

apenas aflora na superfície da água; sua face inferior está a 1 decímetro de profundidade. A pressão

nessa profundidade é de 1 quilograma por decímetro quadrado; portanto a água exerce sobre esse

bloco uma força para cima de 1 quilograma. Esse é exatamente o peso da água que o bloco desloca

(1 dm3). A força para cima é também igual ao peso do bloco no ar.

Fig. 1 - A força de baixo para cima na face inferior de cada bloco

é maior que a força de cima para baixo na face superior. O

empuxo não depende da profundidade.

A base do bloco inferior está a 4 decímetros de profundidade;

portanto a água faz sobre ela uma força, para cima, de 4

quilogramas. A face superior do bloco estando a 3 decímetros de

profundidade recebe uma força para baixo de 3 quilogramas. A

diferença das forças, 1 quilograma, é igual ao peso da água

deslocada, justamente corno para o primeiro bloco.

Um líquido exerce um empuxo sobre um corpo flutuante ou submerso nele porque a pressão na

parte inferior do corpo é maior que a pressão na sua parte superior.


46

A força de empuxo no bloco depende da diferença entre a pressão na sua face inferior e a pressão na

face superior. Essa diferença é exatamente a mesma quando o bloco está a 30 centímetros de

profundidade e quando está a 30 metros. O empuxo não depende da profundidade.

Finalmente, suponhamos que um terceiro bloco, pesando 1800g* no ar, desloque 1 dm3 de água e

esteja completamente submerso na água. Que força deve um homem exercer para sustentar o bloco

dentro da água e impedir que vá para o fundo? Como antes, a diferença entre a força para baixo

devida à pressão da água sobre a face superior do bloco e a força para cima sobre a face inferior é

1kg*. Essa é a força de empuxo e ajuda a sustentar o bloco. Portanto, o homem deve exercer uma

força para cima igual a 1800g* menos 1000g*, isto é, 800g* para sustentar o bloco submerso.

Dizemos que o bloco pesa 800g* quando submerso na água. Lembre-se, contudo, de que este é seu

peso aparente. A Terra ainda atrai o bloco submerso com uma força de 1kg*.

- O mergulhador de Descartes. O famoso cientista e filósofo francês Descartes inventou um

brinquedo que demonstra a lei do empuxo. Encha uma garrafa de remédio ou

de bebida, achatada lateralmente, com água e coloque nela um pequeno tubo

de ensaio ou um tubo de pastilhas com a extremidade aberta para baixo. Tenha

cuidado de que o tubo esteja com cerca, de três quartas partes cheias de água

de modo que ele apenas aflore na superfície da água da garrafa (Fig. 2).

Coloque uma rolha não muito apertada na garrafa, sem deixar ar entre a rolha

e a água. Apertando mais a rolha ela exercerá uma pressão sobre a água que

por sua vez comprimirá o ar no tubo, diminuindo seu volume. O empuxo será

então menor, não equilibrando mais o peso, e então o tubo afunda. Soltando a

rolha ou removendo-a, o ar do tubo expande novamente, deslocando maior

quantidade de água e, portanto aumentando o empuxo de modo que o tubo

sobe. Graduando a pressão na rolha você pode fazer o tubo parar em qualquer

posição. Se a garrafa for de plástico você pode usar uma rolha bem presa e comprimir a garrafa

lateralmente. Na realidade ele afunda porque você comprime, simultaneamente, a garrafa e assim

aumenta a pressão na água.


47

Você pode determinar densidades usando a lei de Arquimedes. Para determinar a densidade de um

corpo você divide seu peso pelo peso de igual volume de água. Por outro lado à lei de Arquimedes

diz que a diminuição de peso de um corpo num líquido é igual ao peso do líquido deslocado (que

tem o mesmo volume que o corpo). Suponhamos que uma pedra de 5 quilogramas pese, quando

imersa na água, 3 quilogramas. Portanto ela desloca água pesando 2 quilogramas. A densidade da

pedra é então 5kg* dividido 2kg* = 2,5.

Para calcular a densidade de um corpo divida seu peso pela sua perda de peso na água, isto é, pelo

peso de igual volume de água.

Exemplo: Determine a densidade de uma pedra que pesa 90g* no ar e 60g* quando submersa na

água.

90g* = peso da pedra no ar;

60g* = peso da pedra na água.

Determine a densidade da pedra.

Peso de igual volume de água = peso perdido na água = 90g* menos 60g* =

30g*.

Nós usamos densímetros para medir densidade. Você já viu certamente

um empregado do posto de gasolina usando um densímetro para medir

a densidade do líquido da bateria elétrica de um automóvel. O

densímetro indicado na Fig. 3-A flutua na água de modo que a escala vertical marca 1,0, a

densidade da água, na superfície do líquido. Na figura 3-B o densímetro está flutuando no líquido

de uma bateria inteiramente carregada (o densímetro que você viu no posto de gasolina constava,

provavelmente, de um tubo semelhante a um grande conta-gotas, para aspirar o líquido da bateria,

no interior da qual estava um pequeno densímetro). O líquido da bateria é uma solução de ácido

sulfúrico em água. Sua densidade é maior que a da água.


48

Em uma bateria com solução ácida o densímetro desloca um menor volume de líquido e flutua mais

alto. À medida que a bateria vai-se descarregando, a quantidade de ácido no líquido vai diminuindo

e, portanto, também sua densidade.

Densímetros especiais usados para medir densidade de álcool e de leite são chamados alcoômetros e

lactometros.

6.2 RESUMO Empuxo é a força para cima que um líquido exerce sobre um corpo parcial ou completamente

submerso nele.

A lei de Arquimedes diz que a perda aparente de peso de um corpo imerso ou flutuante é igual ao

peso do líquido deslocado.

O empuxo que atua num corpo é igual ao peso do fluido que o corpo desloca.

Densidade = peso do corpo/ peso de igual volume de água peso do corpo/ perda de peso na água.

6.3 EXEMPLO DE DENSÍMETROS


49

7. MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO

Os instrumentos de medir vibração podem ser classificados em:

• Medidores de vibração;

• Monitores de vibração.

A diferença entre os dois tipos é que os medidores são utilizados em medições periódicas e os

monitores são utilizados permanentemente para uma medição contínua. Os monitores são

principalmente encontrados em grandes equipamentos onde o nível de vibração é imprescindível até

do ponto de vista de segurança.

7.1. PERIODICIDADE DAS MEDIÇÕES Este item é importante sob o ponto de vista organizacional. A periodicidade das medições não pode

ser tão pequena a ponto de termos um grande risco de não detectar um problema, nem tão grande a

ponto de se tornar inviável (equipe exagerada).

Uma boa sistemática é utilizar um critério da engenharia de confiabilidade, definindo o nível de

confiança desejado na detecção do defeito e calculando o período da equação básica de Weibull:

Onde:

t - Período de medição;

TMEF - Tempo médio entre falhas.

Por exemplo, se quisermos uma confiabilidade de 95% e termos um TMEF de 36 meses, o intervalo

de medição será de 55 dias. Deve ser ressaltado que a confiabilidade de 95% se refere à

probabilidade de um defeito ser detectado antes de uma falha da máquina e não a confiabilidade do

equipamento em si.


50


Note que nem todos os tipos de defeitos são detectáveis pela análise de vibração, estamos nos

referindo apenas que o são.

As máquinas mais importantes da instalação devem ser analisadas com uma freqüência maior que

as demais, por ser de interesse diminuir a probabilidade de um defeito não ser detectado a tempo de

uma intervenção.

Esse conceito normalmente é levado ao extremo em equipamentos críticos, que não possuam

reserva que normalmente são monitorados continuamente, é o caso das máquinas papeleiras.

7.2. NÍVEIS DE ALARME O estabelecimento de níveis de alarme visa a separar os equipamentos que estão em condições

adequadas dos que têm algum problema, e deve ser feito no início de um programa de manutenção

Preditiva. A razão para esta separação é concentrar maiores esforços na análise de casos em que o

equipamento ultrapassou o nível de alarme ou está prestes a ultrapassar.

Para definir o nível de alarme de cada equipamento é preciso conhecer o histórico de vibrações de

cada máquina para se conhecer o seu nível normal e de vibração e as variações que normalmente

acontecem. Esta sistemática permitirá indicar com certa precisão a existência de um problema ou o

princípio de um. Mas este procedimento só é possível em equipamentos instalados e que possuem

históricos.

No caso de equipamentos novos ou no início de implantação de uma manutenção produtiva, não

existem informações sobre comportamento vibracional. Nestes casos, podemos utilizar as normas

técnicas que regulam o projeto ou normas de fabricação. Para isto é necessária uma boa

comunicação entre o fabricante e sua equipe de manutenção que devem decidir conjuntamente, se já

não estabelecida, os níveis aceitáveis de vibração. Portanto, na aquisição de máquinas é

recomendável que a equipe de manutenção certifique-se que o fabricante possui níveis estabelecidos

dos níveis de vibração.

51

7.3. ESTUDOS DE CASOS

7.3.1. DESBALANCEAMENTO DE MASSA

O desbalanceamento de massa é uma fonte comum de vibração em máquinas e equipamentos, e sua

conseqüência é um aumento de amplitude em 1 x rpm. Essa amplitude será proporcional à

quantidade de desbalanceamento presente.

O desbalanceamento acontece devido a uma alteração no equilíbrio das forças radiais que atuam

sobre o eixo da máquina. A causa mais comum é o acúmulo de material sobre volantes de inércia,

hélices de ventiladores, hélices de ventoinhas de motores, etc... mas pode ser causado também por

perda de massa, como a quebra de uma hélice, por exemplo.

Portanto, quando a

resultante das forças radiais

que atuam sobre o eixo for

diferente de zero, esta

resultante causará um

aumento da vibração em 1 x

rpm que será tanto maior

quanto for a velocidade de

rotação do eixo.

Nota: A vibração no sentido axial será nula ou desprezível em relação à radial.

7.3.2. DESALINHAMENTO DE ACOPLAMENTO

O desalinhamento é um problema mais freqüente que o desbalanceamento, e a razão é muito

simples: o número de variáveis que pode causar um desalinhamento é maior que no caso de

desbalanceamento. Como exemplo podemos citar: falha de montagem, defeito na base, parafusos de

fixação folgados, etc...


52

Temos três tipos possíveis de desalinhamento:

· Angular – onde as linhas de centro dos dois eixos fazem um ângulo;

· Paralelo – onde às linhas de centro são paralelas, porém deslocadas entre si;

· Combinado – os dois anteriores ao mesmo tempo.


53


O desalinhamento, mesmo com acoplamentos flexíveis, resulta em duas forças, axial e radial. Isto é

verdade mesmo quando o desalinhamento estiver dentro dos limites de flexibilidade do

acoplamento. A amplitude das forças, e, portanto a quantidade da vibração gerada aumentará com o

aumento do desalinhamento. A característica significante da vibração devido ao desalinhamento é

que ela acontecerá nas duas direções, axial e radial.

Esta é a razão porque as leituras axiais devem ser tomadas. Normalmente a freqüência de vibração é

1 x rpm, contudo, quando o desalinhamento é severo, a freqüência é de segunda ordem (2 x rpm).

7.3.3 Vibrações causadas por folgas mecânicas

As folgas mecânicas causam vibrações no sistema geralmente na freqüência de rotação da máquina

seguida de muitas harmônicas, sendo mais evidente na direção radial e sentido vertical.

Estas vibrações são muitas vezes geradas por parafusos frouxos, folgas excessivas nos mancais ou

talvez uma trinca na estrutura ou nos pedestais de mancais.

A vibração característica de folgas mecânicas não ocorre sem que haja outras forças excitando o

sistema, tais como desalinhamentos, desbalanceamentos, etc...

Quando há folga excessiva, mesmo não havendo desalinhamentos ou desbalanceamentos aparecem

grandes níveis de vibração. Então, as folgas amplificam as vibrações.

As folgas são fontes perigosas de vibrações, pois concentram grande energia cinética sobre o

equipamento devido ao grande número de harmônicos gerados, o que pode levar a quebras de base,

estrutura, carcaça, etc...

7.3.4 Vibrações em engrenagens

Conhecer as freqüências das vibrações geradas pelos engrenamentos é fundamental para o

diagnóstico de sistemas de engrenagens. A freqüência típica dos sistemas com engrenamento é a

freqüência de engrenamento, igual ao número de dentes vezes a rotação da engrenagem. Existirá

uma freqüência de engrenamento para cada par engrenado. Se o engrenamento fosse perfeito, a

vibração seria puramente senoidal e no espectro existiria apenas a freqüência fundamental do

engrenamento (componente de primeira ordem).

54


Qualquer irregularidade, desgaste, deformação ou esforço externo fará desaparecer a condição de

engrenamento perfeito. Todos os erros associados com as engrenagens afetam o engrenamento e,

por conseqüência, afetam também a forma de onda da vibração. As formas de onda das vibrações

dos engrenamentos com erros continuam periódicas, mas não são mais senóides puras. Seus

espectros apresentarão vários componentes harmônicos da freqüência de engrenamento.

O primeiro indício de anormalidade é a presença de harmônicos do engrenamento. Quanto maior o

número de harmônicas e quanto maiores sua amplitudes, maiores serão os erros. É normal que a

componente de engrenamento apresente algumas bandas laterais em configuração simétrica de

amplitude e espaçamento. Qualquer desvio na simetria desta configuração é indício de início de

problemas nas engrenagens.

O espaçamento entre as bandas laterais é igual à freqüência de rotação da engrenagem. Se houver

variação entre este espaçamento isto indica folga excessiva entre as engrenagens (backlash). Se

houver variação nas amplitudes das bandas laterais isto indica dente quebrado.

7.3.5. VIBRAÇÕES CAUSADAS POR DEFEITO EM ROLAMENTOS

Os rolamentos são os elementos de máquinas mais comuns na indústria. Muitas vezes eles são os

componentes de maior precisão do equipamento. Geralmente possuem tolerância de até 1/10 das

tolerâncias dos demais elementos da máquina ou equipamento.

Somente 10 a 20% dos rolamentos atingem a sua vida de projeto por causa de uma variedade de

fatores, principalmente:

· Lubrificação inadequada; Contaminação por partículas estranhas; Armazenagem imprópria;

Umidade; Vibração externa; Erro de aplicação e Montagem imprópria.

Com certeza os mancais de rolamento são os elementos de máquina mais estudados e pesquisados

em termos de vibração. A razão disso é óbvia, pois raramente encontramos equipamentos em que

estes elementos não estejam presentes.

55


Rolamentos geram quatro freqüências características: freqüências geradas por defeitos na pista

externa, pista interna, gaiola e corpos rolantes. Os desgastes em rolamentos evoluem em quatro

fases: inicialmente os problemas aparecem em freqüências ultra-sônicas (entre 20 e 60 kHz). Num

segundo estágio pequenos defeitos excitam freqüências naturais dos componentes do rolamento

(devido aos impactos causados pela passagem das esferas) na faixa de freqüência de 500 Hz a 2

KHZ. Quando o desgaste progride, surgem harmônicas das freqüências discretas e bandas laterais

com espaçamento de 1 x rpm. Muitos rolamentos são trocados quando atingem esse ponto,

provavelmente pelo ruído que produzem. No estágio final, quando as avarias são severas, impactos

violentos excitando freqüências naturais ocorrem quando uma pista passa pela zona de carga.

Rolamentos com defeitos em suas pistas, esferas ou rolos, usualmente causam vibrações em altas

freqüências, que não são múltiplos inteiros da rotação do eixo.

Isso se explica devido à natureza das forças dinâmicas que excitam o rolamento defeituoso gerando

vibrações. Por exemplo, um defeito na esfera passará pelas pistas interna e externa em uma

sucessão de impactos com o dobro da freqüência de rotação da esfera, chamada spin. A freqüência

fundamental da vibração será bem mais alta do que a do eixo. Além disso, forças dinâmicas do tipo

impulso geram vibrações de freqüência muito alta, na faixa de ressonância estrutural das pistas do

rolamento. A amplitude da vibração dependerá da extensão da falha no rolamento. Já os defeitos na

gaiola do rolamento geram vibrações com freqüências mais baixas que a freqüência de rotação do

eixo.

8. PAQUÍMETRO O paquímetro é o resultado da associação de uma escala como padrão de comprimento, de dois

bicos de medição, como meios de transporte da medida, sendo um ligado à escala e outro ao cursor

e de um nônio como interpolador para leitura entre traços. Os paquímetros distinguem-se pela faixa

de operação, pelo nônio, pelas dimensões e formas do bico. Em geral, os paquímetros são

construídos para faixa de operação entre 120…2000 mm; o comprimento dos bicos de 35 a 200 mm

correspondentemente. Para casos especiais é possível adquirir paquímetros de bicos compridos.

56

O material empregado na construção de paquímetros é usualmente o aço com coeficiente de

dilatação linear de forma que o mesmo tenha comportamento térmico

equivalente à maioria das peças.

As superfícies dos bicos situadas frente a frente destinam-se às medições externas. Para medições

internas, os extremos dos bicos são rebaixados, com superfícies externas cilíndricas. Ao usar-se

estas superfícies de medição, deve-se adicionar a medida lida no nônio a espessura dos ressaltos,

que geralmente é um valor arredondado (10 ou 20 mm).

Nos paquímetros universais para medições internas com leituras menores do que este valor

arredondado, os bicos são prolongados para cima e apresentam a forma de gumes.

Paquímetros pequenos podem ter na parte traseira uma lingüeta que se move junto com o cursor e

serve para medir profundidade.


57

Paquímetro Universal

8.1. TIPOS DE PAQUÍMETROS

Além do tipo universal o paquímetro pode ser apresentado de formas específicas para cada uso:

• Paquímetro de profundidades; • Calibrador de espessura de dentes de engrenagens; • Paquímetro de altura (graminho); • Paquímetro com rasgo de chaveta.

Além destes tipos existem muitas outras variantes, no formato e tamanho dos bicos, da faixa de

operação, etc


58

8.2. TIPOS DE MEDIDAS FEITAS COM PAQUÍMETRO

Aspectos Operacionais:

Nas medições externas recomenda-se colocar a peça a ser medida o mais perto possível da escala,

de modo a minimizar os erros. Em geral na medição com paquímetro, deve-se evitar um aperto forte

dos bicos sobre a peça (evitar força de medição excessiva). Além disso, deve-se evitar ao máximo

possível movimento relativo entre os bicos e peça, já que isto provoca desgaste dos bicos e assim a

geração de erros de medição com o paquímetro.

Sob hipótese alguma se deve medir uma peça em movimento como num torno.

Alguns paquímetros digitais podem ser interfaceados a pequenas impressoras com módulos

estatísticos ou até microcomputadores onde os dados podem ser processados rapidamente,

facilitando o trabalho dos cálculos intermediários m operações mais complexas.


59


9. MICRÔMETROS

O desenvolvimento dos micrômetros deslanchou o avanço tecnológico na fabricação de roscas e

fusos de alta qualidade. Um fuso roscado possui, da mesma forma que uma escala, uma divisão

continua e uniforme, representada pelos filetes da rosca. Num fuso roscado de 1 mm de passo, o

afastamento do filete para o seguinte é de 1 mm; ele corresponde, portanto a uma escala dividida em

milímetros. A tomada de medida é efetuada girando o fuso na porca correspondente, obtendo-se

entre estes elementos, um movimento relativo de um passo para cada volta completa. Frações de

passo podem ser obtidas subdividindo-se uma volta completa em tantas partes quantas se queira.

O movimento axial do fuso ou da porca, determinado pelo número de voltas, pode ser usado para

alterar o afastamento entre duas superfícies de medição de um determinado valor, como se verifica,

por exemplo, nos micrômetros.

Como já referido o movimento longitudinal pode ser realizado tanto pelo fuso como pela porca, o

mesmo pode-se dizer do movimento giratório. Nos parafusos de medição, ambos os movimentos

são realizados geralmente pelo fuso. A face frontal do fuso, normal ao eixo do mesmo constitui

usualmente uma superfície de medição. O fuso leva um tambor com divisões na periferia, no qual

são lidas as frações de volta.

Os erros do movimento de avanço de um fuso de medição que corresponde aos erros de divisão de

uma escala dependem de diversos fatores.

9.1. ERROS DO PASSO DA ROSCA

• Do perpendicularismo da superfície de medição em relação ao eixo do parafuso de medição;

• Da planicidade das superfícies de medição;

• Do paralelismo das superfícies de medição;

• Da cilindricidade do tambor de leituras;

• Do erro de divisão do tambor.

Na figura abaixo, pode ser visto um micrômetro com cortes parciais junto com a denominação das

partes principais do mesmo.

60

O micrômetro tem como porta medida um fuso roscado, cujo passo deve corresponder precisão e

grandeza aos objetos da medição. Os micrômetros têm em geral um passo de 0,5 mm. Os materiais

empregados para fabricação do parafuso micrométrico são aço liga ou aço inoxidável. Os parafusos

micrométricos são retificados, temperados e estabelecidos com dureza de aproximadamente 63 HRc

(Hardness Rockwell) para a garantia de durabilidade do mesmo.

O tambor graduado está fixado ao uso, executando assim o mesmo movimento como aquele. A fim

de determinar o deslocamento longitudinal do fuso de medição, na parte dianteira do tambor acha-

se gravada uma escala que subdivide uma rotação em 50 partes.

O deslocamento de uma divisão de escala no tambor corresponde ao deslocamento longitudinal de

0,01 mm.


61

Detalhe de um micrômetro A trava do parafuso

micrométrico permite fixar a haste de medição

em qualquer posição arbitrária. Ela deve impedir

o deslocamento do fuso quando acionada sem,

porém deslocá-lo do seu eixo.

A catraca é ligada ao parafuso micrométrico

possibilitando força de medição constante.

Se a força for superior a resistência da catraca a

mesma gira em falso sobre o parafuso (a catraca

limita o torque transmissível ao fuso).

As plaquetas fixadas ao arco devem possibilitar a fácil acomodação do micrômetro na mão do

operador e permitir o isolamento contra o calor transmitido pela mesma, de modo a evitar erros na

medição provenientes da dilatação térmica do aço. A cromação do tubo e do tambor aumenta

resistência ao desgaste e ataques pelos agentes químicos. Procurando facilitar a leitura, a cromação

deve ser opaca e não brilhante para evitar reflexos.

Por estarem em contato com a peça a ser medida, os sensores de medição estão sujeitos ao desgaste

e por isso nas extremidades dos mesmos, emprega-se placas de metal duro.

Estas placas devem ser manuseadas com cuidado, pois o metal duro é frágil. A dureza dos sensores

é de aproximadamente 63 HRc (Hardness Rockwell). A qualidade da superfície da peça também

influenciará no desgaste dos sensores. De importância capital para a minimização da incerteza de

medição são a retificação e a lapidação paralela dos sensores.


62

9.2. TIPOS DE MICRÔMETROS:

Além dos micrômetros convencionais com sensores de medição planos, existem micrômetros

especiais com sensores de medição adaptados aos objetivos da medição. São utilizados para as mais

diversas operações como medição de roscas externas e internas, módulos de engrenagens, rasgos de

chavetas, etc.

• Micrômetro para medição do diâmetro de flancos de rosca;

• Micrômetro para medidas sobre dentes de engrenagens;

• Micrômetro para medição de espessura de paredes de tubos;

• Micrômetro de profundidade;

• Micrômetro para medidas internas;

• Micrômetro para medidas de diâmetros internos;

• Micrometros com sensores tipo faca.


63

9.3. MEDIDAS COM MICRÔMETROS

9.3.1. MICRÔMETRO DIGITAL

Este tipo de micrômetro apresenta os elementos básicos do micrômetro convencional, porém

permite a realização de medições de menor incerteza de medida, devido à facilidade de leitura no

instrumento, diminuindo os erros de medição associados principalmente à construção da escala e

paralaxe.

A introdução do microprocessador e

do mostrador de cristal líquido

revolucionou todo o processo de

medição com o micrômetro. Estes

permitem: Zeragem do instrumento

em qualquer posição do fuso

permitindo medições absolutas e

diferenciais.

Introdução de limites de tolerância na memória permitindo identificar se a peça satisfaz ou não as

especificações de norma, fabricação, etc

Análise estatística de dados informando o número de medições realizadas, máximos e mínimos

valores medidos, valor médio e desvio padrão das medições.

9.4. FONTES DE ERROS

Uma das fontes de erros mais comuns em medidas com micrômeros é o erro por dilatação acusado

pela temperatura impressa pela mão do usuário do instrumento. Pode ser reduzido pela utilização de

um isolante no arco do micrômetro ou segurando o mesmo por intermédio de um pedaço de couro.

Mais correto ainda seria utilizar um suporte para realizar a medida.

A incidência direta da luz solar, proximidade de um forno ou ventilador também são situações a se

evitar.


64


Outro problema comum é a deflexão do arco, devido à aplicação demasiada de tensão. O emprego

da catraca aliada a um movimento lento garante força de medição constante e com isso resultados

com pouca dispersão. (deve-se imprimir de 3 a 5 voltas na catraca).

Erros de leitura de paralaxe são evitados lendo-se o tambor perpendicularmente. Não se deve mover

o micrômetro nem a peça durante a medida.

9.5. CALIBRAÇÃO

Antes de iniciar a calibração de um micrômetro ou qualquer outro instrumento, há a necessidade de

uma rigorosa inspeção do mesmo no que se refere aos aspectos de conservação, como por exemplo,

verificação visual da qualidade da superfície dos sensores, condição de funcionamento do

instrumento, por exemplo, catraca, trava folgas no parafuso micrométrico, etc identificando a

necessidade ou não de manutenção corretiva prévia.

a) Determinação do erro combinado – A soma de todos os erros individuais: É feita com a

utilização de blocos padrão (é fundamental que os mesmos estejam calibrados). As normas

citam as seguintes medidas de blocos padrão : 2,5 - 5,1 - 7,7– 10,3 – 12,9 – 15,0 17,6 – 20,2 –

22,8 e 25. Com estes valores é possível detectar a influência dos erros do parafuso micrométrico

e do paralelismo para diferentes posições angulares do sensor móvel.

b) Erros de paralelismo dos sensores: O erro de paralelismo dos sensores de micrômetros 0 – 25

mm é determinado pela observação de franjas de interferência geradas através da aplicação de

um plano óptico especial entre as superfícies de medição do micrômetro.

c) Erro de planicidade dos sensores: O erro de planicidade das superfícies de medição é

determinado por meio de um plano óptico colocado de tal maneira que o número de franjas de

interferência seja mínima ou que existam círculos fechados.

d) Rigidez do arco: A rigidez dos arcos de micrômetros deve ser tal que uma força de 10 N

aplicada entre os sensores não provoque uma flexão que ultrapasse valores indicados por

normas. O controle é efetuado aplicando-se uma carga de 10N no eixo de medição do arco.

e) Força de medição: A força de medição exercida pela catraca sobre a peça a medir deve

apresentar valores entre 5 e 10 N. Esta força pode ser medida por um dinamômetro.

65


f) Erro de ajuste de zero ou do limite inferior da faixa de impressão: o micrômetro deve apresentar

dispositivo para ajuste de zero e em geral, quando para faixas de operação superiores a 25 mm

devem vir acompanhados com padrões de dimensões igual ao limite inferior da faixa de

operação do instrumento para possibilitar o ajuste da escala.

g) Qualidade dos traços e algarismos: O micrômetro deve apresentar os traços de graduação nítidos

e uniformes, regulares, sem interrupção e sem rebarbas. À distância entre os centros dos traços

não deve ser menor que 0,8 mm . O que evita muitos erros de leitura é a gravação inclinada dos

traços da escala sobre o tubo.

h) Erros devido ao acionamento da trava: Quando acionada a trava, à distância entre as superfícies

de medição (sensores) não deve alterar mais que 2 micrometros.

10. MEDIDORES DE NÍVEL

A monitoração de nível de sólidos e líquidos em reservatórios é muito importante em alguns

processos. Existem vários tipos de sensores de nível, dependendo do processo e material a ser

monitorado.

10.1. SENSORES CAPACITIVOS Monitoram sólidos e líquidos, principalmente para gerar informações de máximo e mínimo níveis.

Tem boa sensibilidade e dependendo do sensor tem características de boa resistência à alta pressão

e temperatura.

A capacitância depende diretamente da área das placas, da distância entre as mesmas e da constante

dielétrica. Se duas placas paralelas forem colocadas dentro de um certo recipiente e o nível da

substância neste recipiente sofrer alguma variação, a constante dielétrica também irá variar. Como

conseqüência direta à capacitância será dependente direta do nível.

66

10.2. SENSORES MECÂNICOS

Normalmente são constituídos por uma membrana de borracha acoplada a um interruptor.

A membrana pressionada ativa o interruptor, que envia um nível lógico específico. Existem

sensores de pressão em fita, que enviam sinais digitais proporcionais ao nível à medida que cada

interruptor de fita é pressionado quando atingido pelo líquido ou pelo sólido.

A monitoração de nível de líquidos condutivos pode ser feita através de circuito eletrônico montado

em uma régua fixada na parede interna do recipiente onde se deseja fazer a medida. À medida que o

líquido vai aumentando o nível, mais chaves vão sendo fechadas.

Estes sinais podem então ser lidos por uma unidade que processa a informação e dá continuidade ao

processo.

11. MEDIDORES DE FLUXO

A medida de fluxo é expressa em volume ou massa por tempo. Algumas unidades comuns podem

ser citadas:

1 galão por minuto:

=231 polegadas cúbicas por minuto (in3/ min)

=63,09 centímetros cúbicos por segundo (cm3/ s)

1 pé cúbico por minuto: (cfm, ft3/ min)

=0,028317 metros cúbicos por minuto


67

=471,95 centímetros cúbicos por segundo

1 pé cúbico standard por minuto de ar a 20 C , 1 atm

=0,07513 libra-massa por minuto

=0,54579 grama por segundo

11.1. MEDIDOR DE FLUXO COM PRINCÍPIO DO PISTÃO EXCÊNTRICO Pode ser utilizado em situações onde é necessário boa precisão de medição de fluxo continuo. O

princípio de operação deste medidor está no eixo que tem a conexão num dispositivo

excentricamente montado. Devido a esta excentricidade, o eixo oscila, de modo que a freqüência

destas oscilações é proporcional ao fluxo. A interpretação deste sinal pode ser feito, por exemplo,

fixando-se um ímã no eixo oscilador e instalando um sensor do tipo Hall no lado externo.

11.2. MÉTODOS DE OBSTRUÇÃO DE FLUXO Alguns tipos de medidores de fluxo são classificados na categoria de instrumentos de obstrução de

fluxo. Este tipo de medidores tem seu princípio na queda de pressão causada pela obstrução.

A relação de continuidade de um fluxo unidimensional

passando por um tubo pode ser Onde µ é a velocidade. Se o

fluxo for adiabático e desconsiderando-se o atrito, pode-se

utilizar a equação de Bernoulli:

Desta forma a queda de pressão p1-p2 é proporcional ao

fluxo. Deve ser observado, entretanto que todos os tubos

possuem atrito e desta forma perdas estão sempre presentes.

A equação apresentada acima calcula um fluxo ideal o qual

caracteriza-se pelo fato de ser laminar sem a presença de

turbulências (vortex).


68

Entretanto nos casos reais isso não acontece e o valor do fluxo calculado deve ser relacionado com

o número de Reinolds (Para mais detalhe veja literatura especializada).

Um medidor de fluxo baseado em obstrução pode ser visto na figura a seguir:

Orifício, pescoço e tubo de venturi.

O tubo de Venturi oferece a vantagem de alta precisão e

pequena queda de pressão.

Pode-se comprovar (em literatura adequada) as equações

convencionalmente aplicadas para os tubos de Venturi, orifício

e bocal descrito abaixo:

Observe que K é o coeficiente de fluxo e depende das áreas A1 e A2 e ainda do coeficiente de perda

de carga.

Exemplo de um medidor de fluxo comercial.


69

11.3. MEDIDORES DE FLUXO POR ARRASTE Neste tipo de medidor de fluxo, existe um componente móvel dentro de um recipiente que se

encontra com a tubulação na posição vertical. À medida que o fluxo aumenta o elemento móvel é

deslocado. Uma leitura do fluxo pode ser feita diretamente numa escala calibrada no fundo do

recipiente.

11.4. MEDIDOR DE FLUXO DO TIPO TURBINA O princípio deste tipo de medidor de fluxo é que o fluído causa a rotação de uma turbina. Quanto

maior o fluxo, maior será a freqüência da rotação da turbina. Se for fixado um magneto na mesma,

através de um sensor do tipo Hall (por exemplo), é possível ter a medida do fluxo.

11.5. MEDIDORES DE FLUXO BASEADOS EM EFEITO ULTRA-SÔNICO O efeito Doppler é à base de operação deste tipo de instrumento. Um sinal de freqüência conhecida

é transmitido através do líquido. Se o sinal é transmitido no mesmo sentido do fluxo, uma pequena

aceleração do sinal causada pela velocidade deste fluxo será detectado. Quando enviado um sinal no

sentido contrário, se perceberá uma desaceleração do sinal. Este efeito é proporcional à velocidade

do fluxo. Medidas muito precisas podem ser feitas utilizando-se este tipo de sensor (verificar

manuais de fabricante).


70

12. MEDIÇÃO DE PRESSÃO

12.1. INTRODUÇÃO Pressão geralmente é definida como força normal por unidade de área e costuma ser representada

por uma série de unidades, como: psi (libras/ polegada quadrada), bar, atmosfera, Pascal, etc. No

sistema SI, onde a força é expressa em Newtons e a área em m2, unidade esta conhecida como

“Pascal”. É comum encontrar tabelas relacionando o Pascal com as outras unidades uma vez que

certos países adotam outras unidades, apesar de não pertencerem ao Sistema Internacional de

Unidades (S.I.).

A pressão pode ser medida em termos absolutos ou diferenciais; assim, é comum identificar três

tipos de pressão: (a) pressão absoluta, (b) pressão manométrica e (c) pressão diferencial.


71

A pressão absoluta é a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluído e a pressão

absoluta (zero), isto é, vácuo completo.

Um barômetro é um exemplo de sensor de pressão absoluta porque a altura da coluna de mercúrio

mede a diferença entre a pressão atmosférica local e a pressão “zero” do vácuo que existe acima da

coluna de mercúrio.

Quando o elemento mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local,

esta pressão é conhecida como pressão manométrica (gauge pressure).

Quando o sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a

pressão atmosférica, então esta pressão é conhecida como “diferencial”.

Existem três métodos principais de medição de pressão; (a) coluna de líquido, (b) medição indireta

através da força provocada pela atuação da pressão numa certa área e (c) atuação da pressão num

elemento elástico (de área conhecida) e medindo a deformação ou tensão resultante.

12.2. INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESSÃO

12.2.1. COLUNA DE LÍQUIDO

A fig. 1 mostra um tubo em U contendo um líquido de densidade ñ. Os pontos A e B estão numa

mesma linha horizontal e o líquido do ponto C encontra-se a uma altura h acima de B. Assim, a

pressão em A = pressão em B = pressão atmosférica + pressão da coluna de líquido BC = pressão

atmosférica + .


72

Em certas aplicações, é necessário levar em conta os efeitos da temperatura na densidade do fluído

(ou dos fluídos - podem ser usados fluídos de densidade diferente em cada braço do tubo). Assim, a

densidade em cada temperatura T pode ser determinada por:

Onde é a densidade na temperatura To, â é o coeficiente de expansão cúbica e T é a

temperatura atual.

12.2.2. PRESSÃO QUE ATUA EM ÁREA CONHECIDA - MEDIÇÃO DA FORÇA RESULTANTE

Calibrador de Pesos Mortos

Este tipo de instrumento mede a pressão desconhecida através da força que ela gera quando atua

numa área conhecida. Uma variante desse instrumento - o calibrador de pesos mortos - é padrão

numa faixa ampla de medição de pressão. Nesse caso, uma força conhecida (peso padrão) é

aplicada através de um pistão (fig. 2) a um fluído e essa pressão é transmitida para o manômetro a

ser calibrado.

Dependendo da precisão dos pesos-padrão e da área do pistão, é possível conseguir medidas muito

precisas. É comum encontrar instrumentos comerciais com erro menor que 0,1 %. Uma fonte de

erro considerável é o atrito entre o óleo e o pistão. Assim, costuma-se girar o pistão com os pesos-

padrão, durante a execução das medidas, para minimizar o efeito do atrito.


73

Fig. 2 - Calibrador de pesos

mortos; o manômetro a ser

calibrado (G) recebe a

pressão do fluído, pressão

gerada a partir da aplicação

de força conhecida (pesos

12.2.3. MEDIÇÃO DE PRESSÃO A PARTIR DA MEDIÇÃO DE DEFORMAÇÃO, DESLOCAMENTO

dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro.

padrão) ao pistão.

Tubo de Bourdon

A maioria dos medidores de pressão usada industrialmente emprega um tubo de Bourdon; a forma

mais simples de um tubo de Bourdon consiste num tubo de secção oval dobrado de maneira

circular, como mostra a fig.3. Uma das extremidades (inferior) é selada presa a um quadrante

pivotado. A outra extremidade (superior) está conectada a um sistema dentado que por sua vez está

conectado aos

Ou seja, a deformação produzida no tubo é amplificada mecanicamente e transformada em

movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada.


74

Os tubos são confeccionados com uma variedade de materiais, dependendo da natureza do fluído

cuja pressão deve ser medida (bronze, aço inox, Be-Cu, .). O comportamento de tais sensores varia

bastante, não só como o resultado do desenho básico, mas também dos materiais envolvidos, mas

são encontrados

na faixa de 0,5% a 2% do fundo de escala, normalmente. Tubos de Bourdon podem ser acoplados a

dispositivos eletromecânicos, para garantir um sinal elétrico, o que facilita o seu uso em controle de

processos, automação.

Diafragma/ fole

Sensores do tipo diafragma (ou membrana) ou fole representam tipos similares de deformação

elástica. Talvez o mais simples manômetro do tipo diafragma é o sensor de Schaffer (fig. 4) , que

consiste num diafragma de aço inox termicamente tratado, mantido entre dois flanges. A pressão a

ser medida é aplicada na parte inferior do diafragma e o movimento resultante no centro do

diafragma é transmitido até um amplificador e identificador. Neste tipo de sensor, as propriedades

elásticas do diafragma metálico governam a faixa e a precisão do instrumento.

também devido às condições de uso. As principais fontes de erro são: histerese mecânica do tubo,

mudança de sensibilidade devido à temperatura, efeitos de atrito, Comercialmente,


75

Uma variante desse tipo de instrumento é o medidor de diafragma do tipo fole l (fig.5); nesse caso,

é comum associar um dispositivo eletromecânico para saída elétrica, o que é conveniente não só em

medição , mas também em processos de automação e controle.


76


A fig. 6 mostra um diafragma (talvez o nome mais correto no caso seja membrana) que poderia

mo mostra a fig. 7.

ressão que

emprega efeito

transversal.

(b) Cristal

Longitudinal

para uso em

efeito

piezoelétrico.

estar instrumentado com strain gages; na medida que o elemento elástico deforma, os strain gages

colados (na face oposta onde está sendo aplicada a pressão a ser medida) irão variar sua resistência,

que será lida por um circuito tipo Ponte de Wheatstone.

Diafragma é o elemento elástico que deforma com a pressão a ser medida; na outra face (onde estão

colados os strain gages) atua a pressão atmosférica.

Cristais Piezoelétricos

Um sensor piezoelétrico, como o próprio nome diz, gera um sinal elétrico quando está sendo

deformado; de todos os materiais piezoelétricos, o quartzo (Si02) é um dos materiais mais

convenientes para desenvolvimento de transdutores de força, principalmente devido à estabilidade

de seu sinal . Os cristais usados em transdutores são cortados segundo um plano de corte, de modo

que somente sejam sensíveis às pressões ou forças de cizalhamento em uma determinada direção,

co

Fig. 7 - (a)

Transdutor de

p

77


Aproveitando estas características do cristal, é possível construir transdutores que medem forças de

empuxo, esforços de corte, momentos fletores, etc... Para medir forças de tração, procede-se a uma

pré-compressão de um cristal de efeito longitudinal, de modo que a tração atua como agente de

descompressão.

Existem dois tipos principais de sensores de quartzo usados para medição. O primeiro é do tipo no

qual a força aplicada causa o surgimento de uma carga eletrostática, como mostrado anteriormente;

ormalmente mede-se a voltagem ao invés da carga - através de um amplificador e o sinal resultado

pode ser calibrado diretamente em força, por exemplo. O segundo tipo envolve um cristal na forma

de elemento ressonante, onde a freqüência é modificada com a força aplicada.

edições estáticas. Sua principal aplicação é em medições de vibrações.

limite de freqüência inferior é da ordem de 1 Hz, dependendo da sensibilidade . O tipo de

com esses sensores é do tipo “operacional de alto ganho, com estágio de entrada

SFET”, adequado para impedância de entrada muito alta.

rísticas destes transdutores são: alta estabilidade, faixa de resposta ampla em

lidade boa à temperatura, boa linearidade e baixa histerese.

e outros materiais sólidos variam a resistividade quando submetidos a tensões

ômetros de resistência elétrica (strain gages) são um bom exemplo.

esse particular no Si permitiu construir filmes finos no formato de diafragma, que sofre

o se aplica uma pressão. Resistores são implantados por difusão nesse diafragma,

omo mostra a fig. 8 (Kistler Instr. Ltd.).

n

É comum encontrar transdutores que usem simultaneamente 3 cristais, medindo simultaneamente

forças em 3 deformações (ou acelerações, por exemplo).

Configurações desse tipo conseguem desvio de linearidade da ordem de 0,2 - 0,3%, faixas de

pressão de 25Mpa e a resposta é uniforme até 30 kHz, com picos de até 100 Khz. Estes dispositivos

não se prestam para m

O

amplificador usado

baseado num MO

As principais caracte

freqüência, estabi

Piezoresistivos

Muitos metais

mecânicas. Extens

O inter

deflexão quand

c

78

O diafragma é um wafer do tipo-n feito com Si - que recebeu quatro pares de resistores por difusão;

cada par possui um resistor cuja principal componente é radial e o outro componente é

circunferencial (circuito em ponte completa compensa temperatura - como visto com strain gages).

Mecanicamente,


eles formam uma parte do diafragma, mas estão eletricamente isolados pela junção

Medidor Tipo Pirani

p-n e desse modo funcionam como os strain gages, ligados num circuito tipo Ponte de Wheatstone.

Fig. 8 - Diagrama esquemático de um manômetro com

sensor piezoresistivo.

Em baixas pressões a condutividade térmica de um gás decresce com a pressão. O manômetro

Pirani é um dispositivo que mede baixas pressões através da mudança dessa condutividade térmica.

O sensor é construído com fios metálicos que são montados em circuito tipo Ponte; a temperatura

desses filamentos poderia ser medida com termopar, mas nesse caso, mede-se a variação de

resistência, que é lida justamente através desse tipo de circuito.

Um dos filamentos é usado como referência (vácuo/ selado) enquanto o outro está exposto à pressão

a ser medida, como mostra a fig. 9.

79


13. OSCILOSCÓPIO

13.1. INTRODUÇÃO Os osciloscópios mais modernos são digitais, mas ainda existe um número muito grande de

osciloscópios em uso que são construídos a partir de um TRC - tubo de raios catódicos;

Pode-se dizer que um osciloscópio de TRC é um voltímetro projetado para mostrar em duas

ndente ou não do tempo. Assim sendo,

dependentes do tempo, como, por exemplo, força e deslocamento (acoplado

uma máquina para ensaio de tração), podem-se mostrar a força no eixo Y e o deslocamento no

ixo X, caracterizando o instrumento como um medidor do tipo YX.

No caso de po, como por exemplo, o aquecimento e o posterior

resfriamento de um termopar (transiente de temperatura), o instrumento estará sendo usado como

rincípio de funcionamento de um

or (filamento aquecido), um cátodo, uma grade de controle, um

nodo de foco e um ânodo para acelerar os elétrons. O filamento aquecido é energizado com

orrente alternada, na maioria dos casos.

dimensões, numa tela fluorescente, um sinal de tensão depe

na análise de sinais não

a

e

um sinal dependente do tem

um medidor do tipo Y-t, onde o eixo de t é ativado por uma “base de tempo”.

13.2. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO Conforme foi salientado no item anterior os osciloscópios analógicos funcionam a partir de um tubo

de raios catódicos - o chamado TRC; a figura 1 mostra o p

osciloscópio baseado num TRC. O canhão de elétrons (raios catódicos), que emite elétrons na forma

de um feixe, consiste de um aqueced

â

c

80


O número de elétrons que compõem o feixe (quanto maior o número de elétrons maior o brilho na

la) é determinado pelo potencial (tensão) aplicado a um eletrodo chamado modulador, que é

s elétrons são acelerados pelo TRC mediante uma diferença

O ponto luminoso que aparece na tela é produzido quando os elétrons chocam-se contra a tela

fosforescente; a tela possui uma pintura (depósito) de uma substância fosforescente

semitransparente - silicato de zinco, e produz uma luz de coloração verde quando atingido pelos

elétrons. Caso esses elétrons que se chocam com a tela não sejam retirados dela, essa tela ficaria

com uma grande carga negativa e novos elétrons não seriam atraídos. Da mesma forma, se os

elétrons não retornassem ao catodo, uma carga positiva apareceria, de modo que novos elétrons não

poderiam ser emitidos.

te

localizado na frente (perto) do cátodo. O

de potencial (da ordem de 1.000 a 2.000V) entre o cátodo e o ânodo; o catodo é, geralmente, um

cilindro de Níquel. O feixe é focalizado por uma “lente eletrônica” de modo a formar praticamente

um ponto luminoso na tela fosforescente. O “foco” (botão frontal - potenciômetro) é ajustado

mudando o potencial dos eletrodos em relação aos eletrodos anteriores.

Ao conjunto constituído pelo emissor de elétrons, modulador, ânodo e lente, denominam-se

“canhão eletrônico”.

81

O feixe de elétrons pode ser desviado vertical ou horizontalmente, como mostra a fig. 2.

Quando uma tensão é aplicada somente a um dos eixos há somente deflexão parcial e aparecerá

move de acordo com as tensões

sentido contrário.

uma linha brilhante no centro do TRC. Quando a tensão é aplicada simultâneamente nas duas

entradas, mas com polaridades diferentes o feixe de elétrons se

aplicadas.

O princípio de uso do osciloscópio é bastante simples: como pode ser visto na fig. 2(a), quando uma

voltagem é aplicada e o feixe de elétrons desloca-se verticalmente para cima, significa que uma

voltagem V foi aplicada na entrada vertical, criando um campo elétrico E, que atua sobre os elétrons

de carga q, e como conseqüência da ação desse campo, surge uma força F que causa a mudança de

trajetória. Mudando a polaridade da voltagem, muda a polaridade do campo e conseqüentemente da

força, desviando o feixe em


82

Pode-se usar tanto a entrada Y como a entrada X para medir voltagem. Observe que até agora não

foi usada a base de tempo no eixo de x (isto é, o eixo de x não foi transformado para medir tempo).

Assim, o instrumento pode ser usado para medir voltagem CC ou pico de voltagem CA, porque se

uma voltagem alternada (60 Hz - rede elétrica, por exemplo) fosse ligada somente ao eixo de Y,

sem a base de tempo ligada, apareceria apenas um traço na vertical (a menos que a freqüência seja

muito baixa e o feixe possa ser visto oscilando lentamente).

Também podem ser visualizados fenômenos do tipo Y-X usando simultaneamente os dois eixos.

Ex: medida de força e deslocamento (num ensaio de tração), temperatura e pressão, etc., desde que

os sensores que estão medindo essas grandezas possuam uma saída em tensão.

Uma grande maioria das aplicações, no entanto, usa o eixo X como a variável tempo. Nesse caso, é

preciso colocar em funcionamento a “base de tempo” do osciloscópio.


83


Quando se pretende usar o eixo de X como tempo, usa-se uma chave de várias posições (para

escolha da freqüência) para tal; essa chave coloca em funcionamento um gerador de ondas do tipo

esponder a um nível

do sinal); com a chave na

posição DC qualquer sinal pode ser lido (inclusive alternado). Com a chave na posição AC um

capacitor é colocado em série na entrada, bloqueando a componente CC e permitindo a

visualização exclusivamente da componente CA (muito importante quando se pretende

visualizar o “ripple” - ruído de um sinal).

) chave vertical = escolha da escala (ex: 1V/ div; 5V/div; 20V/div).

) chave horizontal/ base de tempo = escolha do período da escala e conseqüentemente da

freqüência (ex: 1ms/div; 50 ms/ div; 1s/div).

s osciloscópios analógicos possuem uma limitação significativa; uma vez cessado o sinal, este

esaparece da tela (osciloscópios antigos possuem, às vezes, o chamado circuito de remanência;

ssim, o sinal permanecia na tela por alguns minutos e podia ser fotografado).

ntretanto, esses osciloscópios estão perdendo terreno frente aos osciloscópios digitais, que

oncorrem em preço, qualidade e cujos sinais podem ser armazenados numa memória digital e

clusive podendo ser gravados diretamente em disquete, em alguns casos.

dente-de-serra, cujo sinal é aplicado somente nas placas horizontais.

Caso fosse aplicado um sinal contínuo, o feixe deslocaria até o fim da escala horizontal e

permaneceria lá, não retornando ao início, e conseqüentemente não permitindo a visualização

repetida de um sinal alternado.

O osciloscópio ainda possui uma série de recursos dentre os quais pode-se salientar:

a) trigger = gatilho; ou seja, trata-se de um circuito de disparo, permitindo que o sinal apenas seja

visualizado quando atingir um valor mínimo; ou seja, o osciloscópio irá r

particular de voltagem somente.

b) chave AC-DC-GND = ground: terra (saber onde está o “zero”

c

d

O

d

a

E

c

in

84

13.3. OSCILOSCÓPIO DIGITAL Os osciloscópios digitais mais antigos usam o TRC convencional para visualização do sinal, porém

o sinal de entrada é simultaneamente digitalizado e armazenado numa


memória eletrônica (fig. 5); o

de uma série de pontos do sinal original que foram armazenados e

o circuito realiza uma interpolação dos outros pontos.

sinal senoidal é jogado na tela, pode-se

simultaneamente ler o valor RMS, valor de pico, valor médio,

todos os recursos

encontrados nos Analógicos, porém em vez de chaves rotativas, são usados botões que através de

sinal na entrada analógica, depois da atenuação e amplificação é amostrado e convertido num sinal

digital por meio de um conversor A/ D e então armazenado numa memória digital. A forma de onda

original e é reconstruída a partir

A fig. 6 mostra um osciloscópio digital , 2 canais, 100 MHz;

quando um

etc.

Nos osciloscópios digitais têm-se

toques são mudadas as escalas de graduações para o nível que se quer medir. Porém, alguns botões

rotativos são encontrados, cuja finalidade é dar um ajuste fino, ou deslocar os eixos X ou Y na tela.

85

14. V RIFICADORES E CALIBE RADORES

14.1.1. VERIFICADOR DE RAIO

Serve para verificar raios internos e externos. Em cada lâminas é estampada a medida do raio. Suas dimensões variam, geralmente, de 1 a 15mm ou de 1/32” a 1/2”.

São instrumentos geralmente fabricados de aço, temperado ou não. Apresentam formas e perfis variados. Utilizam-se para verificar e controlar raios, ângulos, folgas, roscas, diâmetros e espessuras.

14.1. TIPOS Os verificadores e calibradores classificam-se em vários tipos:

14.1.2. VERIFICADOR DE ÂNGULOS


86

14.1.3. VERIFICADOR DE ROSCA

Usa-se para verificar roscas em todos os sistemas. Em suas lâminas está gravado o número de fios por polegada ou o passo da rosca em milímetros.


14.1.4. CALIBRADOR DE FOLGAS (APALPADOR)

Usa-se na verificação de folgas, sendo fabricado

em vários tipos. Em cada lâmina vem gravada sua

medida, que varia de 0,04 a 5mm, ou de 0,0015” a

0,2000”.

14.1.5. CALIBRADOR “PASSA-NÃO-PASSA” PARA EIXOS OU CALIBRADORES DE BOCA

É fabricado com bocas fixas e móveis. O diâmetro

do eixo estará bom, quando passar pela parte

maior e não passar pela menor.

87

14.1.6. CALIBRADOR-TAMPÃO “P


ASSA-NÃO-PASSA”

nor e não

pela maior.

14.1.7. VERIFICADOR DE CHAPAS E ARAMES

É fabricado em diversos tipos e padrões. Sua face é

umerada, podendo variar de 0 (zero) a 36, que

repr das chapas e

arames

e contato dos calibradores e verificadores devem estar perfeitas.

4.3. CONSERVAÇÃO •

Suas extremidades são cilíndricas. O furo da peça a

verificar estará bom, quando passar pela parte me

n

esentam o número de espessura

14.2. CONDIÇÕES DE USO As faces d

1Evitar quedas e choques.

• Limpar e lubrificar após o uso.

• Guardá-los em estojo ou local apropriados.

88


15.

de Qualidade de Energia

stá relacionado a um conjunto de

lterações que podem ocorrer no

istema elétrico. Uma boa definição

para

ia que resulte em falha ou má

peração de equipamentos de

onsumidores".

em várias partes do sistema de energia, seja nas instalações de

stes problemas vêm se agravando rapidamente em todo o mundo por diversas razões, das quais

• instalação cada vez maior de cargas não-lineares. O crescente interesse pela racionalização e

m aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos,

ônicas e podem levar o sistema a condições de

ressonância.

• maior sensibilidade dos equipamentos instalados aos efeitos dos fenômenos (distúrbios) de

qualidade de energia.

Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e petroquímica, os impactos

econômicos da qualidade da energia são enormes. Nestes setores, uma interrupção elétrica de até 1

minuto pode ocasionar prejuízos de até US$ 500 mil.

ANALISADORES DE ENERGIA

15.1. INTRODUÇÃO O conceito

e

a

s

o problema de qualidade de

energia é: "Qualquer problema de

energia manifestado na tensão,

corrente ou nas variações de

freqüênc

o

c

Tais alterações podem ocorrer

consumidores ou no sistema supridor da concessionária.

E

destacamos duas:

conservação da energia elétrica te

aumentam os níveis de distorções harm

89

E diante deste potencial de prejuízos possív


eis, fica evidente a importância de uma análise e

iagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências

a, além de apresentar medidas técnica e economicamente viáveis para

S DOS ITENS DE QUALIDADE is simples e adequado utilizarmos simplesmente a palavra

enos que afetam a qualidade da energia elétrica.

dos problemas de

s de qualidade ("distúrbios") conforme segue:

•

•

d

dos distúrbios no sistem

solucionar o problema.

15.2. TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕE

Na ótica do consumidor, talvez seja ma

"distúrbios" para englobar todos os fenôm

Estes "distúrbios" podem ter origem na

energia elétrica entregue pela concessionária

de energia, ou na rede interna de

distribuição (incluindo equipamentos ali

instalados) do próprio consumidor. A figura

ao lado mostra a origem

qualidade de energia, quando analisada sob

a ótica do consumidor.

Os acadêmicos e especialistas, no entanto,

classificam os iten

• Transitórios, dos tipos impulsivos ou oscilatórios;

Variações de Tensão de Curta Duração, que podem ser instantâneas, momentâneas, ou

temporárias;

Variações de Tensão de Longa Duração, que podem ser de três tipos: interrupções,

subtensões ou sobretensões sustentadas;

• Desequilíbrios De Tensão, causados por má distribuição de cargas monofásicas, e que fazem

surgir no circuito tensões de seqüência negativa;

90

• Distorções Da Forma de Onda, que podem ser classificadas em cinco tipos: nível CC,

harmônicos, interharmônicos, "notching", e ruídos;

• Oscilações de Tensão, que são variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de

suprimento (dentro da faixa com


preendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatórias,

repetitivas ou esporádicas.

r ios no valor da

A figura abaixo mostra as formas de onda típicas dos itens de qualidade mais comuns:

Os transitórios são fenômenos

t

súb ições operacionais de

Ger

imp

equipamentos a grandes solicitações de

tensão e/ ou corrente.

• Va iações da Freqüência do Sistema, que são definidas como sendo desv

freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz).

15.3. TRANSITÓRIOS

ele romagnéticos oriundos de alterações

itas nas cond

um sistema de energia elétrica.

almente, a duração de um transitório

é muito pequena, mas de grande

ortância, uma vez que submetem

91

Existem dois tipos de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os

ilatórios, causados por chaveamentos.


osc

com

caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e

m

Em sistemas de distribuição o caminho

s

atmosféricas é através de um condutor

fase, no primário ou no secundário,

causando altas sobretensões no sistema.

Uma descarga diretamente na fase pode

gerar também subtensões de curta

duração ("sag") e interrupções.

Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas que fluem ao longo do

condutor terra, causando os seguintes problemas:

Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kV.

conectados entre duas referências de terra, tais como computadores

quando submetidos a altos níveis de tensão.

tores fase, quando as correntes passam pelos cabos a

Um transitório impulsivo (normalmente causado por descargas atmosféricas) pode ser definido

o uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas,

co freqüência bastante diferente daquela da rede elétrica.

mais provável para as descarga

•

Equipamentos eletrônicos

conectados a modems, podem ser danificados

• Indução de altas tensões nos condu

caminho do terra.

92

Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime

permanente da tensão e/ ou corrente pos


suindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes

dezenas de kHz), chaveamento de

disjuntores para eliminação de faltas e também como

impulsivo.

15.4. INTERRUPÇÕES E SAGS As variações de tensão de curta duração podem ser ca

momentâneas ou temporárias. Tais variações de tensão sã

de grandes cargas que requerem altas correntes de partida,

dos cabos de sistema.

ell"), ou mesmo uma interrupção completa do

sistema elétrico.

Chama-se interrupção de curta duração

ger r faltas no sistema de

energia, falhas de equipamentos e mal

funcionamento de sistemas de controle.

Algumas interrupções podem ser precedidas

por um "sag" quando estas são devidas a faltas

no sistema supridor.

transitórios normalmente são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva,

eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc.

Os transitórios oscilatórios de média-frequência podem ser causados por: energização de capacitor

"back-to-back" (resultando em correntes transitórias de

resposta do sistema a um transitório

racterizadas por alterações instantâneas,

o, geralmente, causadas pela energização

ou por intermitentes falhas nas conexões

Dependendo do local da falha e das condições do sistema, o resultado pode ser uma queda de tensão

temporária ("sag"), uma elevação de tensão ("sw

quando a tensão de suprimento cai para um

valor menor que 0,1 pu por um período de

tempo não superior a 1 minuto, o que

almente ocorre po

93

O "sag" ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de

proteção do sistema.

Analisemos, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da conce


ssionária. Logo

que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curto-circuito, ele comanda a desenergização da

lta.

figura abaixo ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso.

io, o equipamento de proteção não completará a seqüência de

almente os residenciais) não sentirá os efeitos da

is (ex: computadores e outras cargas eletrônicas)

stalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks),

destes equipamentos.

faltas em redes aéreas são de natureza temporária.

entual não era considerado preocupante.

linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o

religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o

religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de

eliminar a fa

A

Sendo a falta de caráter temporár

operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido.

Assim, a maior parte dos consumidores (princip

interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíve

estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a in

que evitarão maiores conseqüências na operação

Alguns dados estatísticos revelam que 75% das

No passado, este perc

94

Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, etc.,

este número passou a


ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como

responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo,

ENSÕES

condições de falta no

istema.

figura acima ilustra um

swell" causado por uma

lta fase-terra. Este

nômeno pode também

star associado à saída de

randes blocos de cargas

u a energização de

randes bancos de

apacitores, porém, com

des (valores eficazes) e suas

durações. A severidade de um "swell" durante uma condição de falta é função do local da falta, da

porária) e à sua localização na rede

elétrica.

e causando enormes prejuízos às indústrias.

Uma queda de tensão de curta duração, também chamada de "sag", é caracterizada por uma redução

no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo

e 1 minuto.

15.5. SOBRET

Uma sobretensão de curta duração ou "swell" é definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na

tensão eficaz, na freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo há 1 minuto. Os "swells" estão

geralmente associados com

s

A

"

fa

fe

e

g

o

g

c

uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas

redes de transmissão e distribuição.

As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitu

impedância do sistema e do aterramento. Sua duração está intimamente ligada aos ajustes dos

dispositivos de proteção, à natureza da falta (permanente ou tem

95

freqüência de ocorrência do distúrbio.

os eletrônicos incluindo ASD's, computadores e controladores eletrônicos, podem

apresentar falhas imediatas durante estas condições. Transformadores, cabos, barramentos,

TPs, TCs e máquinas rotativas podem ter a vida útil reduzida.

a tensão em alguns relés pode resultar em má operação, enquanto

s. Um "swell" em um banco de capacitores pode, freqüentemente,

.

ação principal recai sobre os equipamentos eletrônicos, uma vez que

anificar os componentes internos destes equipamentos, conduzindo-

tremos, à completa inutilização. Vale ressaltar mais uma vez que,

ipamento não depende apenas da magnitude da sobretensão, mas

iações de tensão (curva CBEMA).

Como conseqüência das sobretensões de curta duração em equipamentos, podem-se citar falhas dos

componentes, dependendo da

Dispositiv

dispositivos de chaveamento,

Um aumento de curta duração n

outros podem não ser afetado

causar danos no equipamento

Dentro do exposto, a preocup

estas sobretensões podem vir d

os à má operação, ou em casos ex

a suportabilidade de um equ

também do seu período de duração, conforme ilustra a figura ao lado, que mostra as tolerâncias

típicas de microcomputadores às var

Diante de tais problemas causados por sobretensões de curta duração, este item de qualidade sugere

que seja mantida uma atenção por parte de consumidores, fabricantes e concessionárias, no intuito

de eliminar ou reduzir as conseqüências oriundas deste fenômeno.


96

1


5.6. DESEQUILÍBRIOS DE TENSÃO s desequilíbrios podem ser definidos como o desvio máximo da média das correntes ou tensões

ifásicas, dividido pela média das correntes ou tensões trifásicas, expressado em percentual. As

rigens destes desequilíbrios estão geralmente nos sistemas de distribuição, os quais possuem

argas monofásicas distribuídas inadequadamente, fazendo surgir no circuito tensões de seqüência

egativa. Este problema se agrava quando consumidores alimentados de forma trifásica possuem

ma má distribuição de carga em seus circuitos internos, impondo correntes desequilibradas no

ircuito da concessionária.

ais fatores fazem com que a

ualidade no fornecimento de

estacam-se:

is acentuada na presença de

o girante com velocidade igual à

do rotor, porém, no sentido contrário ao de rotação definido pela seqüência positiva.

O

tr

o

c

n

u

c

T

q

energia seja prejudicada, e

alguns consumidores tenham

em suas alimentações um

desequilíbrio de tensão.

Estes desequilíbrios de tensão

podem apresentar problemas

indesejáveis na operação de

equipamentos, dentre os quais d

• Motores de Indução: Para as análises dos efeitos de tensões desequilibradas aplicadas a um

motor de indução, consideram-se somente os efeitos produzidos pelas tensões de seqüência

negativa, que somados aos resultados da tensão de seqüência positiva, resultam num conjugado

pulsante no eixo da máquina (vide figura), e no sobreaquecimento da máquina. Como

conseqüência direta desta elevação de temperatura tem-se a redução da expectativa de vida útil

dos motores, visto que o material isolante sofre uma deterioração ma

elevadas temperaturas nos enrolamentos.

• Máquinas síncronas: Como no caso anterior, a corrente de seqüência negativa fluindo através

do estator de uma máquina síncrona, cria um campo magnétic

97


Conseqüentemente, as tensões e correntes induzidas nos enrolamentos de campo, de amortecimento

mônico e seus múltiplos no sistema elétrico é extremamente indesejável,

o de ressonâncias não previstas, causando danos a uma série de

A DE ONDA efinida como um desvio, em regime permanente, da forma de onda

reqüência fundamental, e é caracterizada principalmente pelo seu conteúdo

rincipais de distorções da forma de onda:

rrentes senoidais de freqüências múltiplas inteiras da freqüência

pera o sistema de energia elétrica. Estes harmônicos

corrente e são oriundos de equipamentos e cargas com

•

ser considerados como interharmônicos. Os

e na superfície do ferro do rotor terão uma freqüência igual a duas vezes à da rede, aumentando

significativamente as perdas no rotor.

• Retificadores: Uma ponte retificadora CA/ CC, controlada ou não, injeta na rede CA, quando

esta opera sob condições nominais, correntes harmônicas características (de ordem 5, 7, 11, 13,

etc). Entretanto, quando o sistema supridor encontra-se desequilibrado, os retificadores passam

a gerar, além das correntes harmônicas características, o terceiro harmônico e seus múltiplos. A

presença do terceiro har

pois possibilita manifestaçã

equipamentos.

15.7. DISTORÇÕES NA FORM

A distorção da forma de onda é d

puramente senoidal, na f

espectral. Existem cinco tipos p

• Harmônicos: tensões ou co

fundamental (50 ou 60 Hz) na qual o

distorcem as formas de onda da tensão e

características não-lineares instalados no sistema de energia.

Interharmônicos: componentes de freqüência, em tensão ou corrente, que não são múltiplos

inteiros da freqüência fundamental do sistema supridor (50 ou 60Hz). Elas podem aparecer

como freqüências discretas ou como uma larga faixa espectral. Os interharmônicos podem ser

encontrados em redes de diferentes classes de tensão. As suas principais fontes são conversores

estáticos de potência, ciclo conversores, motores de indução e equipamentos a arco. Sinais

"carrier" em linhas de potência também podem

efeitos deste fenômeno não são bem conhecidos, mas admite-se que os mesmos podem afetar a

transmissão de sinais "carrier" e induzir "flicker" visual no display de equipamentos como tubos

de raios catódicos.

98

• Nível CC: a presença de tensão ou corrente CC em um sistema elétrico CA é denominado "DC

offset". Este fenômeno pode ocorrer como o resultado da operação ideal de retificadores de

meia-onda. O nível CC em re


des de corrente alternada pode levar à saturação de

•

• ido como um sinal elétrico indesejado, contendo uma larga faixa espectral com

freqüências menores que 200 KHz, as quais são superpostas às tensões ou correntes de fase, ou

uídos em sistemas de potência podem ser causados

15.Tec

mú

de

isto

Nes

ond

cor

men

Est

freq z, ou 300 Hz.

transformadores, resultando em perdas adicionais e redução da vida útil.

"Notching": distúrbio de tensão causado pela operação normal de equipamentos de eletrônica

de potência quando a corrente é comutada de uma fase para outra. Este fenômeno pode ser

detectado através do conteúdo harmônico da tensão afetada. As componentes de freqüência

associadas com os "notchings" são de alto valor e, desta forma, não podem ser medidas pelos

equipamentos normalmente utilizados para análise harmônica.

Ruídos: é defin

encontradas em condutores de neutro. Os r

por equipamentos eletrônicos de potência, circuitos de controle, equipamentos a arco,

retificadores a estado sólido e fontes chaveadas e, normalmente estão relacionados com

aterramentos impróprios.

8. DISTORÇÕES HARMÔNICAS nicamente, uma harmônica é a componente de uma onda periódica cuja freqüência é um

ltiplo inteiro da freqüência

fundamental (no caso da energia elétrica,

60 Hz). A melhor maneira de explicar

é com a ilustração ao lado.

ta figura, vemos duas curvas: uma

a senoidal normal, representando uma

rente de energia "limpa", e outra onda

or, representando uma harmônica.

a segunda onda menor representa a harmônica de quinta ordem, o que significa que sua

üência é de 5 x 60 H

99

Na segunda ilustração (abaixo), vemos

o ficaria a soma das duas curvas. Esta

va resultante mostra bem a distorção

mônica da curva de tensão, na presença

com

cur

har

As

obj

pro

ene

Entretanto, o forneci

sistema supridor, prejudic

outros conectados à

No

line e os equipamentos eram mais resistentes aos efeitos provocados por

mônicas. Entretanto, nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da eletrônica de potência,

i ão de métodos que buscam o uso mais racional da energia elétrica, o conteúdo harmônico

o uso racional da energia elétrica.

vários tipos de cargas elétricas com características não

e quantidade no sistema elétrico brasileiro:

lâmpadas de descarga;

rado, etc;

s por retificadores;

sores com comutação forçada;

cicloconversores;

de harmônicas.

distorções harmônicas vêm contra os

etivos da qualidade do suprimento

movido por uma concessionária de

rgia elétrica, a qual deve fornecer aos

seus consumidores uma tensão puramente senoidal, com amplitude e freqüência constantes.

mento de energia a determinados consumidores que causam deformações no

am não apenas o consumidor responsável pelo distúrbio, mas também

mesma rede elétrica.

passado não havia maiores preocupações com harmônicos. Cargas com características não

ares eram pouco utilizadas

har

e a util zaç

presente nos sistemas tem-se elevado, causando uma série de efeitos indesejáveis em diversos

equipamentos, comprometendo a qualidade e o própri

Assim, é de grande importância citar aqui os

lineares, que têm sido implantadas em grand

• circuitos de iluminação com

• fornos a arco;

• compensadores estáticos tipo reator satu

• motores de corrente contínua controlado

• motores de indução controlados por inver

• processos de eletrólise através de retificadores não-controlados;

• motores síncronos controlados por


100


• fornos de indução de alta freqüência, etc;

• fornos de indução controlados por reator

• cargas de aquecimento controladas por ti

• velocidade dos motores CA controlados

• reguladores

es saturados;

ristores;

por tensão de estator;

de tensão a núcleo saturado;

tc.

juízos às plantas industriais. De maior importância, são

a paradas de produção causadas por inesperadas falhas

ção da vida útil;

• Motores: redução da vida útil, e impossibilidade de atingir potência máxima;

• Máquinas Síncronas: sobreaquecimento das sapatas polares, causado pela circulação de

, e falha na

exagerado do circuito de neutro, principalmente em instalações que agregam

terra mal projetadas;

• computadores;

• eletrodomésticos com fontes chaveadas, e

As distorções harmônicas causam muitos pre

a perda de produtividade, e de vendas devido

em motores, acionamentos, fontes ou simplesmente "repicar" de disjuntores.

Segue relação mais detalhada destes prejuízos:

• Capacitores: queima de fusíveis, e redu

• Fusíveis/ Disjuntores: operação falsa/ errônea, e componentes danificados;

• Transformadores: aumento de perdas, causando redução de capacidade e diminuição da vida

útil;

• Medidores:possibilidade de medições errôneas e de maiores contas;

• Telefones: interferências;

correntes harmônicas nos enrolamentos amortecedores;

• Acionamentos/ Fontes: operações errôneas devido a múltiplas passagens por zero

comutação de circuitos;

• Carregamento

muitos aparelhos eletrônicos e possuem malhas de

101

Os principais problemas causados

por harmônicos, no entanto, se

dão junto a bancos de capacitores,

que podem originar condições de

ressonância, caracterizando uma

sobretensão nos terminais das

idos a

instalação. Mesmo

correntes harmônicas, e sempre estará sempre sujeito à sobrecarga e sobreaquecimento excessivo.

TENSÃO

sup 05 pu. Tais flutuações são geralmente

• causadas por fornos a arco, onde as amplitudes das oscilações

• Flutuações Repetitivas: causadas por máquinas de solda, laminadores, elevadores de minas e

ferrovias;

unidades capacitivas.

Em decorrência desta sobretensão,

tem-se uma degradação do

isolamento das unidades

capacitivas, e em casos extremos,

uma completa danificação dos

capacitores. Além disso, consumidores conectados no mesmo ponto ficam submet

tensões perigosas, mesmo não sendo portadores de cargas poluidoras em sua

sem uma condição de ressonância, um capacitor é sempre um caminho de baixa impedância para as

15.9. FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE

As flutuações de tensão correspondem a variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de

rimento dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,

causadas por cargas industriais e manifestam-se de diferentes formas, a destacar:

Flutuações Aleatórias:

dependem do estado de fusão do material e do nível de curto-circuito da instalação;


102


• Flutuações Esporádicas: causa

nos sistemas elétricos, resultado

anteriormente são oscilações de

dos equipamentos elétricos, in

cintilação luminosa.

15.10. VARIAÇÕES NA

das pela partida direta de grandes motores. Os principais efeitos

s das oscilações causadas pelos equipamentos mencionados

potência e torque das máquinas elétricas, queda de rendimento

terferência nos sistemas de proteção, e efeito "flicker" ou

FREQÜÊNCIA DO SISTEMA ELÉTRICO stema elétrico são definidas como sendo desvios no valor da

(50 ou 60Hz). A freqüência do sistema de potência está

rotação dos geradores que suprem o sistema. Pequenas

observadas como resultado do balanço dinâmico entre carga e

(variações na faixa de 60 ± 0,5Hz). Variações de freqüência

sadas por

faltas em sistemas de transmissão, saída de um grande bloco de carga ou pela saída de operação de

e

de um distúrbio, a magnitude e o tempo de permanência das máquinas operando fora da velocidade,

em desvios da freqüência em proporções mais significativas.

m

osc

har energia e captura sags de tensão, transientes e corrente de partida. Funções de

monitoração ajudam a rastrear problemas intermitentes e performance de sistema de energia, Menus

usam terminologia elétrica (fluke).

Variações na freqüência de um si

freqüência fundamental deste sistema

diretamente associada à velocidade de

variações de freqüência podem ser

geração no caso de alguma alteração

que ultrapassam os limites para operação normal em regime permanente podem ser cau

uma grande fonte de geração.

Em sistemas isolados, entretanto, como é o caso da geração própria nas indústrias, na eventualidad

resultam

O Analisador de Qualidade de Energia, do exemplo abaixo, executa as medições para manter

sistemas de potência operacionais, detectando problemas de energia e diagnosticando falhas de

equipamentos. Tudo num conjunto portátil e resistente.

Co bina as capacidades mais úteis de um analisador de qualidade de energia com multímetro e

iloscópio.

Calcula cargas trifásicas ativas e balanceadas a partir de uma medição monofásica. Mede

mônicos de

103

Aplicações:

Levantamento de curvas de carga;

Diagnóstico energético;

Qualidade de energia (Sag Swell);

Rateio de custos;

•

•

•

•

Diagnóstico de distorções harmônicas;

As principais aplicações são:

• medição das grandezas acima mencionadas de forma direta ou indireta.

•

• Correção do fator de potência;

• Levantamento de demandas;

• Conservação de energia.

16. ENCODER O encoder é um transdutor que converte um

movimento angular ou linear em uma série de pulsos digitais elétricos. Esses pulsos gerados podem

ser usados para determinar velocitaxa de aceleração, distância,rotação, posição ou direção.

• em eixos de máquinas ferramentas CNC;

• controle de velocidade e posicionamento de motores elétricos;

• posicionamento de antenas parabólicas, telescópios e radares;

• mesas rotativas;

• em eixos de robôs;


104


O sistema de leitura é baseado em um disco (encoder rotativo), formado por janelas radiais

te é iluminado perpendicularmente por uma fonte de luz

, as imagens das janelas transparentes são projetadas no receptor. O

pulsos elétricos.

O encoder incremental fornece normalmente dois pulsos quadrados defasados em 90º, que são

a . A leitura de apenas um canal fornece somente a

ovimento.

transparentes e opacas, alternadas. Es

infravermelha, quando então

receptor converte essas janelas de luz em

16.1. ENCODERS INCREMENTAIS

ch mados usualmente de canal A e canal B

velocidade, enquanto que a leitura dos dois canais fornece também o sentido do m

105

Um outro sinal chamado de Z ou zero também está disponível e ele dá a posição absoluta “zero” do

encoder. Este sinal é um pulso quadrado em que a fase e a largura são as mesmas do canal A.

Para determinar a resolução basta dividir o número de pulsos por 360º, por exemplo, um encoder

fornecendo 1024 pulsos/ revolução, geraria um pulso elétrico a cada 0,35º mecânicos.

A precisão do encoder incremental depende de fatores mecânicos, elétricos e ambientais, que são:

erros na escala das janelas do disco, excentricidade das janelas, erro introduzido na leitura

eletrônica dos sinais, temperatura de operação e nos próprios componentes transmissores e

receptores de luz.

Nota: - Resolução: é o número de pulsos ou o valor da contagem por uma unidade de distância. Em

encoders rotativos a resolução é expressa em unidades de ângulo (grau, minuto e segundo ou em

radianos), ou em números de passos por revolução (por exemplo: 4096 pulsos/ revolução).

Resolução é a especificação básica de um encoder. Não se pode especificar um encoder sem esse

parâmetro.

A resolução do encoder incremental é dada por pulsos/ revolução (normalmente chamado PPR), isto

é, o encoder gera uma certa quantidade de pulsos elétricos por revolução dele próprio (no caso de

um encoder rotativo).


106

- Precisão: é a diferença do valor indicado pelo encoder pelo valor real do posicionamento, ou o

número de pulsos que o encoder enviou pelo que ele deveria ter enviado (é o quão perto o


valor

indicado está do valor real). Normalmente, é expresso em unidades de ângulo.

16.2. ENCODERS ABSOLUTO

O princípio de funcionamento de funcionamento de u m encoder

incremental é bastante similar, isto é, ambos utilizam

com estas interrompendo um feixe de luz e transf

O encoder absoluto possui um importante diferencial em

relação ao encoder incremental: a

incremental é dada por pulsos a partir do

enquanto a posição do encoder absoluto é determ

leitura de um código e este é único para

curso; conseqüentemente, os encoders absolutos não

real posição no caso de uma eventual queda da tensão de

Quando voltar a energia o sistema, a posição é atualizada e

disponibilizada para o mesmo (graças ao código gravado no disco do

S m encoder absoluto e de u

o princípio das janelas transparentes e opacas,

ormando pulsos luminosos em pulsos elétricos.

posição do encoder

pulso zero,

inada pela

cada posição do seu

perdem

a

alimentação (até mesmo se deslocados).

encoder) e, com isso, não se precisa ir até a posição zero para saber a

sua localização como é o caso do incremental.

107

17. ESTETOSCÓPIO O estetoscópio é um dispositivo auditivo altamente sensível, usado para localizar a fonte de todo

tipo de ruídos de máquina. Inclui um amplificador com controle de volume. O


s ruídos se detectam

ediante uma sonda metálica, cujos resultados são audíveis mediante fones de ouvido.

A figura ao lado mostra um estetoscópio completo.

A figura ao lado mostra um t

vibração do motor através de

O estetoscópio eletrônico é um instrumento muito importante em locais com ambientes ruidosos ,

facilitando ao técnico formar um quadro sonoro das máquinas, utilizando-se para localizar defeitos

e controlar o estado de válvulas, injetores, bombas, reles elétricos, circuitos de lubrificação, etc.

O uso principal desse instrumento é nas manutenções preditivas.

m

écnico verificando o grau de

um estetoscópio.

108


O grau de ruído feito pelas peças móveis de uma máquina deve ser muito pequeno, demonstrando

8. GRANDEZAS FÍSICAS/ QUADRO GERAL DE UNIDADES ste Quadro Geral de Unidades (QGU) contém:

. Prescrições sobre o Sistema Internacional de Unidades.

3. Prescrições gerais.

abela I - Prefixos SI.

abela II - Sistema Internacional - Unidades Fundamentais.

abela III - SI - Unidades Suplementares e Derivadas.

abela IV - Outras Unidades aceitas para uso com o Sistema Internacional de Unidades.

abela V - Outras Unidades, fora do Sistema Internacional de Unidades, admitidas

mporariamente.

reviaturas:

GPM - Conferência Geral de Pesos e Medidas (precedida pelo número de ordem e seguida pelo

no de sua realização).

GU - Quadro Geral de Unidades.

I - Sistema Internacional de Unidades.

que está operando dentro de um quadro estável. Com o aumento do ruído pode-se verificar a parte

da máquina que está defeituosa e providenciar sua manutenção, mesmo estando em um ambiente

ruidoso.

1E

1

2. Prescrições sobre outras unidades.

T

T

T

T

T

te

Nota - São empregadas as seguintes siglas e ab

C

a

Q

S

Unidade SI - unidade compreendida no Sistema Internacional de Unidades.

109

18.1. SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES O Sistema Internacional de Unidades, ratificado pela lª CGPM/ 1960 e atualizado até a 18ª CGPM/

1987, compreende:

a) Sete u


nidades de base:

mentares;

s SI da Tabela I.

ESPÉCIES

a) unidades aceitas para uso com o SI, isoladamente ou combinadas entre si e/ ou com unidades SI,

sem, restrição de prazo (ver Tabela III);

b) unidades admitidas temporariamente (ver Tabela IV).

É abolido o emprego das unidades CGS, exceto as que estão compreendidas no SI e as mencionadas

na Tabela IV.

b) Duas unidades suplementares:

c) Unidades derivadas, deduzidas direta ou indiretamente das unidades de base e suple

d) Os múltiplos e submúltiplos decimais das unidades acima, cujos nomes são formados pelo

emprego dos prefixo

18.2. OUTRAS UNIDADES 18.2.1. AS UNIDADES FORA DO SI ADMITIDAS NO QGU SÃO DE DUAS

110


18.3. PRESCRIÇÕES GERAIS 18.3.1. GRAFIA DOS NOMES DE UNIDADES

Quando escritos por extenso, os nomes de unidades começam por letra minúscula, mesmo quando

(por exemplo, ampére, kelvin, Newton etc.), exceto o grau Celsius.

a expressão do valor numérico de uma grandeza, a respectiva unidade pode ser escrita por extenso

u representada pelo seu símbolo (por exemplo, quilovolts por milímetro ou kV/ mm), não sendo

dmitidas combinações de partes escritas por extenso com partes expressas por símbolo.

lural dos nomes de unidades Quando os nomes de unidades são escritos ou pronunciados por

xtenso, a formação do plural obedece às seguintes regras básicas:

. os prefixos SI são invariáveis;

. os nomes de unidades recebem a letra "s" no final de cada palavra, exceto nos casos da alínea

plo, ampéres, candelas, curies, farads, grays, joules,

kelvins, quilogramas, parsecs, roentgens, volts, webers etc;

. quando são palavras compostas em que o elemento complementar de um nome de unidade não é

ligado a este por hífen. Por exemplo, metros quadrados, milhas marítimas, unidades

astronômicas etc.

. quando são termos compostos por multiplicação, em que os componentes podem variar

s,

Not ue o nome da unidade entre no uso vulgar, o plural não

desfigura o nome que a unidade tem no singular (por exemplo, becquerels, decibels, henrys, mols,

ascals etc.), não se aplicando aos nomes de unidades certas regras usuais de formação do plural de

dos nomes de unidades não recebem a letra "s" no final, - quando

term

atts por esterradiano etc.;

mentares de nomes de unidades e ligados

nificadas) de massa-atômica etc.

têm o nome de um cientista

N

o

a

P

e

a

b

"c", quando são palavras simples. Por exem

c

d

independentemente um do outro, Por exemplo, ampéres-horas, newtons-metros, ohmsmetro

pascals-segundos, watts-horas etc.;

a - Segundo esta regra, e a menos q

p

palavras, os nomes ou partes

inam pelas letras s, x ou z. Por exemplo, siemens, lux, hertz etc;

e. quando correspondem ao denominador de unidades compostas por divisão. Por exemplo,

quilômetros por hora, lumens por watt, w

f. quando, em palavras compostas, são elementos comple

a estes por hífen ou preposição. Por exemplo, anos-luz, elétron-volts, quilogramas-força,

unidades (u

111

18.3.2. GRAFIA DOS SÍMBOLOS DE UNIDADES

às seguintes regras básicas

att é

mo GWh,

micro etc.;

ir num símbolo composto por multiplicação ou divisão. Por

A grafia dos símbolos de unidades obedece

a) os símbolos são invariáveis, não sendo admitido colocar, após o símbolo, seja ponto de

abreviatura, seja "s" de plural, sejam sinais, letras ou índices. Por exemplo, o símbolo do w

sempre W, qualquer que seja o tipo de potência a que se refira: mecânica, elétrica, térmica,

acústica etc;

b) os prefixos SI nunca são justapostos no mesmo símbolo. Por exemplo, unidades co

nm, pF, etc., não devem ser substituídas por expressões em que se justaponham,

respectivamente, os prefixos mega e quilo, mil e micro, micro e

c) os prefixos SI podem coexist


exemplo, kN.cm, k mA; kV/ mm, M cm, kV/ µs, µW/ cm2 etc.;

os símbolos de uma mesma unidade podem coexistir num 2

d) símbolo composto por divisão. Por

e)

es, os símbolos das unidades não SI de ângulo plano ( º ‘ ” ), os expoentes

f) a por multiplicação pode ser formado pela justaposição dos

exemplo, mm / m, kWh/ h etc;

o símbolo é escrito no mesmo alinhamento do número a que se refere, e não como expoente ou

índice. São exceçõ

dos símbolos que têm expoente, o sinal do símbolo do grau Celsius e os símbolos que têm

divisão indicada por traço de fração horizontal;

o símbolo de uma unidade compost

símbolos componentes e que não cause ambigüidade (VA, kWh etc.), ou mediante a colocação

de um ponto entre os símbolos componentes, na base da linha ou a meia altura (N.m);

g) o símbolo de uma unidade que contém divisão pode ser formado por uma qualquer das três

maneiras exemplificadas a seguir:

112


Não do o símbolo, escrito em duas linhas diferentes

con

exe e e o, datas, números de

telefones etc.).

Par te decimal de um número, é empregada sempre uma virgula;

quando o valor absoluto do número é menor que 1, coloca-se 0 à esquerda da vírgula.

Os

serv

alga da vírgula para a esquerda e para direita, com

pontos separando esses grupos entre si. Nos demais casos é recomendado que os algarismos da

vírg

trab da parte

devendo ser empregada esta última forma quan

puder causar confusão.

Quando um símbolo com prefixo tem expoente, deve-se entender que esse expoente afeta o

junto prefixo-unidade, como se esse conjunto estivesse entre parênteses. Por exemplo:

18.3.3. GRAFIA DOS NÚMEROS

As prescrições desta seção não se aplicam aos números que não representam quantidades (por

mplo, numeração d lementos em seqüência, códigos de identificaçã

a separar a parte inteira da par

números que representam quantias em dinheiro, ou quantidades de mercadorias, bens ou

iços em documentos para efeitos fiscais, jurídicos e/ ou comerciais, devem ser escritos com os

rismos separados em grupos de três, a contar

parte inteira e os da parte decimal dos números sejam separados em grupos de três a contar da

ula para a esquerda e para a direita, com pequenos espaços entre esses grupos (por exemplo, em

alhos de caráter técnico ou científico), mas é também admitido que os algarismos

inteira e os da parte decimal sejam escritos seguidamente (isto é, sem separação em grupos).

113

Para exprimir números sem escrever ou pronunciar todos os seus algarismos:

a) Para os números que representam quantias em dinheiro, ou quantidades de mercadorias, bens ou

ionalmente empregados os prefixos SI ou os fatores decimais da Tabela 1, em casos

refixos SI ou

fatores decimais da Tabela 1.

o à

sílaba tônica da unidade. As palavras quilômetro, decímetro, centímetro e milímetro,

consagradas pelo uso com o acento tônico deslocado para o prefixo, são as únicas exceções a

esta regra; assim sendo, os outros múltiplos e submúltiplos decimais do metro devem ser

pronunciados com acento tônico na penúltima silaba (mé), por exemplo, megômetro,

micrometro (distinto de micrômetro, instrumento de medição), nanômetro etc.

serviços, são empregadas de uma maneira geral as palavras:

podendo ser opc

especiais (por exemplo, em cabeçalhos de tabelas);

b) Para trabalhos de caráter técnico ou científico, é recomendado o emprego dos p

c) Espaçamento entre número e símbolo. O espaçamento entre um número e o símbolo da unidade

correspondente deve atender à conveniência de cada caso, assim, por exemplo:

d) Em frases de textos correntes, é dado normalmente o espaçamento correspondente a uma ou a

meia letra, mas não se deve dar espaçamento quando há possibilidade de fraude;

e) Em colunas de tabelas, é facultado utilizar espaçamentos diversos entre os números e os

símbolos das unidades correspondentes.

f) Pronúncia dos múltiplos e submúltiplos decimais das unidades na forma oral, os nomes dos

múltiplos e submúltiplos decimais das unidades são pronunciados por extenso, prevalecend


114

18.3.4. GRANDEZAS EXPRESSAS POR VALORES RELATIVOS

É aceitável exprimir, quando conveniente, os valores de certas grandezas em relação a um valor

rminado da mesma grandeza tomado como referência, na fordete ma de fração ou percentagem. Tais

ão, dentre outras, a massa específica, a massa atômica ou molecular, a condutividade etc.

s


115


Obs

. Os prefixos desta Tabela podem ser também empregados com unidades que não pertencem ao

SI.

3. Sobre os símbolos de unidades que têm prefixo e expoente ver 3.3.2.

4. As grafias fento e ato serão admitidas em obras sem caráter técnico.

ervações:

1. Por motivos históricos, o nome da unidade SI de massa contém um prefixo; excepcionalmente

e por convenção os múltiplos e submúltiplos dessa unidade são formados pela adjunção de

outros prefixos SI á palavra grama e ao símbolo g.

2

116

TABELA II - SISTEMA INTERNACIONAL - UNIDADES FUNDAMENTAIS


117


118

TABELA III - SI - UNIDADES SUPLEMENTARES E DERIVADAS


119


120


121


122


123


124


125

TABELA IV - OUTRAS UNIDADES ACEITAS PARA USO COM O SI, SEM RESTRIÇÃO DE

PRAZO


126

TABELA V - OUTRAS UNIDADES FORA DO SI, ADMITIDAS TEMPORARIAMENTE

A evitar e a substituir pela unidade SI correspondente.


127


19. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - www.cetesb.sp.gov.br/ambiente/camaras/texto_ca/documentos/minuta_norma_vibracao.pdf

- www.prossiga.br/lopes/prodcien/fisicanaescola

- www.fisica.ufpr.br/grimm/apostmeteo

- www.feiradeciencias.com.br

- www.ucs.br/ccet/demc/vjbrusam/inst/ucs11.pdf

- www.megabras.com

- Matias,Juliano.Mecatrônica Atual.Ano 1,no 3,Abril/2002.pg.36. São Paulo.Saber

- Ltda.2002.

- INMETRO. Quadro geral de unidades de medição resolução do CONMETRO no 12/1988.2

ed.Brasília,SENAI/DN,2000.

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GRANDEZAS FÍSICAS, INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS DE … · ESTUDOS DE CASOS ... Grandezas Físicas, Instrumentos e Equipamentos de Medição e Teste . 8 Obs: A sensibilidade do aparelho