instrumentação básica aplicada.pdf

Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”Campinas – SP

2005

Instrumentação Básica Aplicada

Instrumentação básica aplicada

SENAI-SP, 2005

Trabalho elaborado pelaEscola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”

Coordenação Geral Magno Diaz Gomes

Equipe responsável

Coordenação Geraldo Machado Barbosa

Elaboração Antonio Roberto de Carvalho

Versão Preliminar

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem IndustrialEscola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte PretaCEP 13041-670 - Campinas, [email protected]


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Sumário

Fundamentos da InstrumentaçãoMedidores de NívelMedidores de PressãoMedidores de TemperaturaMedidores de VazãoMedidor de vazão por efeito coriolisMedidor de vazão vortexVálvulas de controleControle de processosAnalisador de pHAnalisador por condutibilidade ElétricaMedidor de oxigênioAnalisadores de oxigênio e outros

Anexos:MetrologiaVocabulário internacional de metrologia

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Fundamentos daInstrumentação

Benefícios da Automação

A automação trouxe, nos últimos tempos, uma série de benefícios aos diversos setoresda sociedade, propiciando conforto e facilidades.

Nas indústrias, a necessidade do aumento de produção para atender a crescentedemanda a baixo custo e a fabricação de novos produtos, atendendo o gosto dosconsumidores, propiciou o aparecimento de um número cada vez maior de processostotalmente automatizados.

A automação, quando utilizada com critério e de forma planejada, reduz custos,aumenta a produtividade e contribui com a qualidade e a segurança da produção,livrando os trabalhadores de atividades monótonas, repetitivas e, principalmente,perigosas. Embora a tecnologia para implementar processos ou sistemasautomatizados modernos exija diferentes níveis de investimento, os resultados sãogarantidos e as indústrias que não se ajustam a essa realidade estão seriamentecondenadas ao fracasso.

Apesar dos benefícios, o impacto da automação obrigou a sociedade a se adaptar aessa nova realidade. A chamada “Era da Automação” causou, inicialmente, sériosproblemas, principalmente para os trabalhadores que não acompanharam essaevolução. Podemos citar:

• aumento do nível de desemprego, principalmente nas áreas em que atuamprofissionais com baixo nível de qualificação;

• a rapidez com que a experiência de um trabalhador se torna obsoleta; a extinçãode muitos empregos que eram considerados importantes: por exemplo,

• telefonistas são perfeitamente substituíveis por centrais de telefonia automáticas.


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Esses problemas, no entanto, podem ser solucionados com programas contínuos deaprendizagem e reciclagem de trabalhadores para novas funções. Além disso, asindústrias de computadores, máquinas automatizadas e serviços vêm criando umnúmero de novos empregos igual ou superior àqueles que foram eliminados no setorprodutivo.

A automação é classificada de acordo com suas diversas áreas de aplicação:automação bancária, comercial, industrial, agrícola, predial, de comunicações,transportes etc. No setor industrial a automação pode ser aplicada em dois segmentosprodutivos, que são os processos contínuos e os processos de manufatura.

Automação de Processos Contínuos

Nas indústrias, o termo “processo” tem um significado amplo. Uma operação unitáriacomo, por exemplo, destilação, filtração ou aquecimento, é considerada um processo.Quando se trata de controle, uma tubulação por onde escoa um fluido, um reservatóriocontendo água, um aquecedor ou um equipamento qualquer é denominado deprocesso.

Processo é uma operação ou uma série de operações realizadas por um determinadoconjunto de equipamentos, onde varia pelo menos uma característica física ou químicade um material para obtenção de um produto final.

Os processos contínuos operam ininterruptamente grande quantidade de produtos emateriais nas mais diversas formas sem manipulação direta. São processoscaracterizados por tubulações, tanques, trocadores de calor, misturadores e reatores,entre outros equipamentos.

Os processos são muito variados e abrangem diversas áreas como, por exemplo, aindústria química, petroquímica, alimentícia, de papel e celulose, etc. Um processopode ser controlado através da medição de variáveis que representam o estadodesejado e do ajuste automático de outras variáveis, de maneira a se conseguir umvalor desejado para a variável controlada. As condições ambientais devem sempre serincluídas na relação de variáveis de processo.

Variáveis de Processo

São grandezas físicas que afetam o desempenho de um processo e podem mudar de


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valor espontaneamente sob condições internas ou externas. Por essa razão, essasvariáveis típicas de processos contínuos necessitam de controle. As principaisvariáveis medidas e controladas nos processos contínuos são pressão, vazão,temperatura e nível.

Variável ControladaA variável controlada de um processo é aquela que mais diretamente indica a forma ouo estado desejado do produto. Consideremos, por exemplo, o sistema de aquecimentode água abaixo.

A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. Avariável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída doaquecedor, que deve ser, então, a variável controlada.

Variável manipulada

Variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atuano sentido de manter a variável controlada no valor desejado. Pode ser qualquervariável do processo que cause uma variação rápida na variável controlada e que sejafácil de se manipular. Para o aquecedor abaixo, a variável manipulada pelo controladorserá a vazão de vapor.


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Agente de controle

Agente de controle é a energia ou o material do processo, do qual a variávelmanipulada é uma condição ou característica. No trocador de calor o agente decontrole é o vapor, pois a variável manipulada é a vazão de vapor.

Malha de controle

Quando se fala em controle deve-se, necessariamente, subentender a medição deuma variável qualquer do processo e a atuação no sentido de mantê-la constante, istoé, a informação que o controlador recebe é comparada com um valor pré-estabelecido(setpoint).

Verifica-se a diferença entre ambos e age-se de maneira a diminuir ao máximo essadiferença. Essa seqüência de operações – medir a variável, comparar com o valorpré-determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida eo set point – nós denominamos de malha de controle.

Na ilustração do trocador de calor, a informação acerca da temperatura do fluido daágua aquecida (fluido de saída), acarreta uma mudança no valor da variável doprocesso, no caso, a entrada de vapor. Se a temperatura da água aquecida estivercom o valor abaixo do valor do set point a válvula abre, aumentando a vazão de vaporpara aquecer a água.

Se a temperatura da água estiver com um valor acima do set point a válvula fecha,


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diminuindo a vazão de vapor para esfriar a água.

Em sistemas de malha fechada o controle de processo pode ser efetuado ecompensado antes ou depois de afetar a variável controlada, supondo-se que nosistema apresentado como exemplo a variável controlada seja a temperatura de saídada água. Se o controle for efetuado após o sistema ter afetado a variável (ter ocorridoum distúrbio), o controle é do tipo "feed-back", ou realimentado.

Para se controlar automaticamente um processo é necessário saber como ele está secomportando, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia como, porexemplo, pressão ou calor. Essa atividade de medir e comparar grandezas é feita porinstrumentação dedicada através de sensores, transmissores, controladores,indicadores e sistemas digitais de aquisição de dados e controle, entre outros.

Automação da ManufaturaProcessos de manufatura, ao contrário de processos contínuos, são processos onde oproduto é manipulado direta ou indiretamente. São processos caracterizados pormáquinas e sistemas sequenciais encontrados tipicamente na indústria automobilística,eletroeletrônica, alimentícia e farmacêutica, entre tantas outras.Um sistema automático de manufatura é composto, basicamente, dos seguinteselementos:

• Sensores: medem o desempenho do sistema de automação ou uma propriedadeparticular de algum de seus componentes. Exemplos: sensores de posição eóticos, entre outros;

• Controle: utiliza a informação dos sensores para controlar o seqüenciamento deuma determinada operação. Os robôs são exemplos perfeitos, pois o controle desuas posições é determinado por informações de sensores e por uma rotina deseqüenciamento, acionando um conjunto de motores. Softwares de controle sãoconjuntos de instruções organizados de forma seqüencial na execução das tarefasprogramadas;

• Acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado objetivo. É ocaso dos motores elétricos, servoválvulas, pistões hidráulicos, etc.

Na automação da manufatura o processo ou as máquinas são controladaseletronicamente, quase que sem a intervenção humana. Porém não se pode confundirautomação com mecanização. A mecanização consiste, simplesmente, no uso demáquinas para realizar um trabalho repetitivo substituindo, assim, o esforço físico do


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homem; já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinascontroladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas, como robôs,máquinas de comando numérico computadorizado (CNC) e sistemas integrados dedesenho e manufatura (CAD/CAM).

Classes e Sistemas de Instrumentação

Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação deacordo com a função que o mesmo desempenha no processo (instrumentos de painel,campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc.). Combinações dessas classificaçõessão efetuadas formando instrumentos conforme a necessidade.

Instrumentos Receptores

São instrumentos que recebem sinais padronizados de instrumentação provenientesde transmissores em geral.

Indicador

Instrumento que dispõe de ponteiro e escala graduada, na qual podemos ler o valor davariável. Os indicadores digitais indicam a variável em forma numérica, em dígitos ouem barras gráficas.

Registrador

Instrumento que registra a(s) variável(s) através de um traço contínuo oupontos em um gráfico.

Transmissor

Mede o valor de uma variável no processo através de um elemento primário (que podeestar incorporado ou não) e produz sinal de saída (pneumático, eletrônico ou digital)proporcional.

Exemplos:a) Transmissor Pneumático de Nivelb) Transmissor Eletrônico de Temperatura


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Conversor

Instrumento que recebe um sinal em padrão industrial de grandeza física e o converteem um sinal de outra grandeza, proporcionalmente.

Exemplos:a) I/P - Converte sinal de corrente em pressãob) E/I - Converte sinal de tensão em corrente

Controlador

Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece umsinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entrevalores determinados. A variável pode ser medida diretamente, pelo controlador ouindiretamente, através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Tipos de controlador quanto ao processamento do sinal:a) Analógico Pneumáticob) Analógico Eletrônicoc) Digital

Tipos de controlador quanto ao número de variáveis controladas:a) Controlador “single-loop”: controla uma única variável.b) Conrtrolador “multi-loop”: controla mais de uma variável simultaneamente. Possuidiversos blocos de controle, que são interligados internamente, através de umaprogramação (configuração), conforme as necessidades do usuário.

Elemento Final de Controle

Instrumento que atua diretamente sobre a variável manipulada, alterando seu valor.

Exemplos:a) Válvulas de Controleb) Reguladores de Velocidade

Controlador Programável (CLP)


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Possui uma memória programável para o armazenamento interno de instruçõesespecíficas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética,para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas eprocessos.

Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD)

É um sistema que possui ligações de estações de controle local a um computador commonitor de vídeo, teclado, impressora e traçador de gráficos, permitindo a visualizaçãoe monitoração de todas as informações do processo.

Sistema Supervisório

É um sistema que recebe informações de diversos “devices” (instrumentos), compossibilidade de monitorar, controlar, manter e operar uma planta industrial. Incorporafunções de controle supervisório, tais como comando de atuadores de campo,monitoração de dados de processo, controle contínuo, controle em bateladas econtrole estatístico, além de alarmes de condição e estado de variáveis de processo,emissão de relatórios e aquisição de dados.

Acessórios de Instrumentação

São instrumentos que auxiliam o bom funcionamento de um instrumento, malha ousistema de controle, além do controle do processo em geral.

Chaves

São instrumentos que detectam a variável do processo em um ponto pré ajustado emudam o estado de um interruptor, possibilitando a energização ou desenergização deum circuito elétrico, eletrônico ou digital. Podem ser utilizadas como alarme, segurançae controle.

Exemplos:a) Chaves de Pressão (pressostatos)b) Chaves de Temperatura (termostatos)c) Chaves de NívelVálvulas "On-Off"


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São utilizadas para bloquear ou liberar a passagem de fluidos. Podem ser utilizadasem controles e sistemas de segurança, onde o exemplo mais comum é a válvulasolenóide.

Visores de Nível

Auxiliam a operação do processo através da visualização do nível de tanques.

Válvulas Reguladoras de Pressão

São utilizadas para reduzir e manter uma determinada pressão constante. Sãoutilizadas freqüentemente para alimentação de instrumentos pneumáticos.

Válvulas de Segurança e Alívio

São utilizadas para proteção de equipamentos sujeitos à elevação de pressão, comocaldeiras e reatores. O aumento da pressão irá liberar o excesso de carga para aatmosfera ou para outro reservatório.

Sistemas de alarme e segurança

Os sistemas de alarme e segurança englobam os anunciadores de alarme e ossensores, instalados para detectar irregularidades nos processos. Os anunciadores dealarme identificam anormalidades e alertam o operador através de sons ou luzesintermitentes. Os sistemas de alarme e segurança são utilizados para qualquer tipo devariável, bastando que se utilize um elemento sensor apropriado.

Terminologia

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos têm sua própriaterminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida econtrole dos diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores,controladores, transmissores e válvulas de controle.

A terminologia utilizada é padronizada entre fabricantes, usuários e organismos queintervêm direta ou indiretamente no campo da instrumentação industrial.


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Faixa de medida (Range)

É o conjunto de valores da variável medida compreendidos dentro do limite superior einferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-sedeterminando os valores extremos.

Exemplos: 100 à 5000C, 0 à 20 PSI e 4 à 20 mA.

Alcance (Span)

É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida doinstrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 100 a 5000C possui span =4000C.

Erro

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor realda variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente chamaremos deerro estático, que poderá ser positivo ou negativo. Quando a variável mudar de valorteremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valormedido estará, geralmente, atrasado em relação ao valor real da variável. Essadiferença momentânea entre o valor real e o valor medido é chamado de errodinâmico.

Exatidão

Pode ser definida como o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter aolongo de sua faixa de trabalho. Ou ainda, podemos definir “exatidão” como o grau deconcordância entre o resultado de uma medição e o valor verdadeiro do mensurando.

Pode ser expressa de diversas maneiras:a) Em porcentagem do alcance (span).Um instrumento com range de 50 a 150 ºC está indicando 80 ºC e sua exatidão é de ±0,5 % do span. Sendo ± 0,5% = ± 0,5 = ± 0,005 e o span = 100 ºC, teremos:0,005. 100 = ± 0,5 ºC 100Portanto, a temperatura estará entre 79,5 ºC e 80,5 ºC.

b) Em unidades da variável


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Um instrumento com range 0 a 200 PSI e exatidão de ± 0,5 PSI indicando 80 PSI teráo valor correto entre 79,5 a 80,5 PSI.

c) Em porcentagem do valor medidoUm instrumento com range de 50 a 150 ºC está indicando 80 ºC e sua exatidão é de ±0,5 % do valor medido. Sendo ± 0,5% = ± 0,005 e o valor medido = 80 ºC, teremos0,005. 80 = ± 0,4 ºC. Portanto, a temperatura estará entre 79,6 ºC e 80,4 ºC.

d) Com variação ao longo da escalaNeste caso, o fabricante indica o valor da exatidão em algumas faixas da escala doinstrumento. Exemplo: Um manômetro pode ter uma exatidão de ± 1% em todo o seurange e na faixa central possuir uma exatidão de ± 0,5% do span.

Zona Morta

É a máxima variação que a variável pode ter sem provocar variações na indicação ouno sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 ºC a 200 ºC possui uma zona morta de ±0,1% do span. A zona morta do instrumento pode ser calculada da seguinte forma:Sendo ± 0,1% = ± 0,1 = ± 0,001, teremos: 0,001. 200 = ± 0,2 ºC 100

Portanto, se a variável de processo variar 0,2 ºC, o instrumento não apresentaráresposta alguma.

Histerese

É a diferença máxima apresentada por um instrumento para um mesmo valor, emqualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nosentido ascendente e descendente. É expresso em porcentagem do span.

Exemplo: Durante a calibração de um determinado instrumento com range de 0 a 200ºC, foi levantada a curva dos valores indicados, conforme mostrado na figura 7.1. Adiferença entre 120,2 ºC e 119,8 ºC representa o erro de histerese correspondente a0,2


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% do span. Podemos observar que o conceito de zona morta está incluído nahisterese.

Curva característica do erro de histerese.

Repetitividade

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável,adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem dospan.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 1000 l/min, com repetitividade de ± 0,1 %do span e com exatidão de ± 1% do span, com uma vazão real na primeira passagemascendente de 750 l/min e o instrumento indicando 753 l/min, numa segundapassagem ascendente com vazão real de 750 l/min indicará 752 ± 1 l/min, conformemostrado na figura a seguir:


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Curva característica do erro de repetitividade.

Resolução

É a menor diferença significativamente percebida entre indicações de um dispositivomostrador. Exemplo: Se um instrumento possuir uma escala onde o menor valorcorresponda a 1ºC sua resolução será de 1ºC.

Ajuste

Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenhocompatível com sua utilização.

Calibração

Conjunto de operações que estabelece, sob condições específicas, a relação entre osvalores indicados por um instrumento ou sistema de medição ou valores representadospor uma medida materializada ou material de referência com os valorescorrespondentes às grandezas estabelecidos por padrões.

Incerteza de Medição

O resultado de uma medição é somente uma estimativa do valor do mensurando.Sendo assim, a expressão que representará o valor de tal mensurando deverá incluir aincerteza de medição.


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A incerteza de medição é um parâmetro que caracteriza o intervalo no qual estão osvalores que poderão ser atribuídos razoavelmente ao mensurando dentro de umadeterminada probabilidade.

É também a indicação quantitativa da qualidade dos resultados da medição, sem aqual os mesmos não poderiam ser comparados com os valores de referênciaespecificados ou com um padrão.

Erro Combinado

É o desvio máximo entre a reta de referência e a curva de medição, incluindo os efeitosde não-linearidade, histerese e repetitividade. É expresso em porcentagem do sinal desaída nominal.

Padrão

Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema demedição destinados a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um oumais valores de uma grandeza para servir como referência

Identificação e Simbologia de Instrumentação

As normas de instrumentação – norma ISA S5.1 , 5.2 , 5.3 e 5.4 ( 1992 ) – estabelecemsímbolos, gráficos e codificações para identificação alfanumérica de instrumentos oufunções programadas que deverão ser utilizados nos diagramas e malhas de controlede projetos de instrumentação.

Identificação de Instrumentação

De acordo com a norma pré-estabelecida, cada instrumento ou função programadaserão identificados por um conjunto de letras – que os classifica funcionalmente – e umconjunto de algarismos, que indica a malha à qual o instrumento ou funçãoprogramada pertence.

Eventualmente, para completar a identificação poderá ser acrescido um sufixo. A figuraabaixo mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a normapréestabelecida.


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Onde:P - Variável medida - Pressão.R - Função passiva ou de informação - Registrador.C - Função ativa ou de saída - Controlador.001 - Área de atividade onde o instrumento atua.02 - Número seqüencial da malha de controle.A – Sufixo

Uso de normas ISA 5.1 em Fluxograma


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A tabela a seguir é a transcrição original da norma ISA - S5.1.1O GRUPO DE LETRAS 2O GRUPO DE LETRAS

VARIÁVEL MEDIDA OU INDICADORA FUNÇÃO

Letra 1a LETRA MODIFICADORAPASSIVA OU DE

INFORMAÇÃOATIVA OU DE SAÍDA MODIFICADORA

A ANÁLISE ALARME

B CHAMA

CCONDUTIVIDADE

ELÉTRICACONTROLADOR

D DENSIDADE DIFERENCIAL

E TENSÃOSENSOR

(ELEM. PRIMÁRIO)

F VAZÃO RAZÃO

G VISÃO DIRETA

H MANUAL ALTO

I CORRENTE ELÉTRICA INDICADOR

J POTÊNCIAVARREDURA OU

SELEÇÃO MANUAL

KTEMPO OU

TEMPORIZAÇÃO

TAXA DE VARIAÇÃO

COM O TEMPO

ESTAÇÃO DE

CONTROLE

L NÍVEL LÂMPADA PILOTO BAIXO

M UMIDADE INSTANTÂNEOMÉDIO OU

INTERMEDIÁRIO

N

OORIFÍCIO DE

RESTRIÇÃO

P PRESSÃOCONEXÃO PARA

PONTO DE TESTE

Q QUANTIDADEINTEGRAÇÃO OU

TOTALIZAÇÃO

R RADIAÇÃO REGISTRADOR

SVELOCIDADE OU

FREQÜÊNCIASEGURANÇA CHAVE

T TEMPERATURA TRANSMISSOR

U MULTIVARIÁVEL MULTIFUNÇÃO

VVIBRAÇÃO OU ANÁLISE

MECÂNICA

VÁLVULA OU DEFLETOR

(DAMPER OU LOUVER)

W PESO OU FORÇAPOÇO OU PONTA

DE PROVA

X NÃO CLASSIFICADA EIXO DOS X NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA NÃO CLASSIFICADA

EIXO DOS YY

ESTADO, PRESENÇA

OU SEQUÊNCIA DE

EVENTOS

RELÊ, RELÊ DE

COMPUTAÇÃO OU

CONVERSOR, SOLENÓIDES

ZPOSIÇÃO OU

DIMENSÃOEIXO DOS Z

ACIONADOR OU ATUADOR

P/ ELEMENTO FINAL

DE CONTROLE NÃO

CLASSIFICADO


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Simbologia de Instrumentação


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Sinais de Transmissão e Conexões de Processo


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Medição de nível

Definição

Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, poisatravés de sua medição torna-se possível:

a) Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.b) Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou

sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc.c) Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode

ultrapassar determinados limites.

Métodos de Medição de Nível de LíquidoOs três tipos básicos de medição de nível são:a) diretob) indiretoc) descontínuo

Medição Direta

É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da substânciamedida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível,bóia ou flutuador.


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Régua ou GabaritoConsiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para serintroduzida dentro do reservatório a ser medido.

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhadona régua pelo líquido.

Visores de Nível

Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por umvisor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.


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TANQUE

ABERTO

TANQUEFECHADO

Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.

Bóia ou FlutuadorConsiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a umcontrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível emuma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos.

Medição de Nível Indireta

Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicascomo : pressão, empuxo , radiação e propriedades elétricas.


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δ

Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial)

Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, paramedirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:

P = γ.h

Onde:P = Pressão em mm H2O ou polegada H2Oh = nível em mm ou em polegadasγ = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque sejaele aberto ou pressurizado.

Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados.Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque éconectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante nacâmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressãoexercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressãodo transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da parte de cima dotanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do liquido.


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Supressão de ZeroPara maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes otransmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadoraem torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um planosituado em nível inferior à tomada de alta pressão.Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro datomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nívelsuperior ao real.

Elevação de ZeroQuando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensanas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizarum sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e altapressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso,bem como as câmaras do instrumento.

Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medição de nível com selagem, no qualdeve ser feita a elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida natubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.


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Medição de Nível com BorbulhadorCom o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos,corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressãoligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valornormalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressãohidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha,um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador depressão.

Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas empequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso aqual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de arou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na tubulação pela qual fluirá o ar ougás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressãodevido ao peso da coluna líquida . Nota-se que teremos condições de instalar omedidor à distância.


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Medição de Nível por Empuxo

Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre aação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume dofluído deslocado.”

A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos deempuxo.

E = V . γ

onde:E = empuxoV = volume deslocadoγ = peso específico do líquido

Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre oempuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, pormeio de um tubo de torque.

O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nívelestamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos nãomiscíveis.


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Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanquecontendo 2 líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres delavagem, decantadores etc.

Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação doempuxo conforme citaremos a seguir.

Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em 2 líquidos com pesosespecíficos diferentes γ1 e γ2.

Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a somados empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos γ1 eγ2, respectivamente. O empuxo será dado pôr:

Et = E1 + E2

onde:

E1 = V1 . γ1 e E2 = V2 . γ2

Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações deempuxo.

Medição de Nível por Radiação

Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de seremcompletamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Alémdisso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos oulíquidos tornando-se possível, em qualquer momento, realizar a manutenção dessesmedidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo.


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Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação econtrole de materiais de manuseio extremamente difícil, corrosivo, abrasivo, muitoquente, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão desses raios,montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque teremos umacâmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétricode corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional aaltura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamenteproporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte daenergia emitida.

Medição de Nível por Capacitância

A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutorasisoladas entre si.

O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado peloeletrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade doconjunto depende do nível do líquido.

O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidosnão condutores se empregam um eletrodo normal. Em fluídos condutores o eletrodo éisolado normalmente com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando o


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valor da capacitância aumenta progressivamente à medida que o dielétrico ar ésubstituído pelo dielétrico líquido a medir.

A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica sendoeste sinal indicado em um medidor.

A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato , através desondas de proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas docapacitor . A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque.


SENAI 33

Medição de Nível por Ultra-som

O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquelasensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz.

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico,esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade quedepende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som dependeportanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco,usada nos dispositivos ultra-sônicos.

As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiaispiezoelétricos.

A característica marcante dos materiais piezoelétricos é produção de uma freqüênciaquando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados comogerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou sejaquando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensãoelétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado comoreceptor do ultra-som.


SENAI34

Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua denível como na descontínua.

Os dispositivos destinados a detecção contínua de nível caracterizam-se,principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-setotalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contatocom o produto.

Medição de Nível por RadarPossui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos dealta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície aser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e arecepção do sinal.

Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidosem geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é aimunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e odetetor, porém possue um custo relativo alto.

Medição de Nível Descontínua

Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nívelatinge certos pontos desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurançade nível alto ou baixo.

Medição de nível descontínua por condutividade


SENAI 35

Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos decomprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos aindicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido.

Medição de Nível descontínua por bóiaDiversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde simples bóiaacoplada a contatos elétricos a sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico,onde se diferenciam entre si pela sensibilidade, tipo de fluido, característicasoperacionais instalação e custo.

Medição de Nível de SólidosÉ necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em silos,alto-fornos etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos.

Esta medição é comumente feita por dispositivos eletromecânicos, onde é colocadauma sonda sobre a carga ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutoreletromecânico, que envia um sinal para um indicador, cuja a escala é graduada paranível. Essa técnica apesar de simples tem como desvantagem a grande incidência demanutenção tornando-a inviável em muitos casos.

Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultra-sônicos, radares e sistemasde pesagem com células de carga podem ser utilizados com bastante eficiência eprecisão apesar de possuírem em alguns casos o custo elevado.


SENAI 37

Medição de pressão

Hidrostática

A hidrostática estuda as propriedades dos fluidos em repouso. A hidrodinâmica estudaos fluidos em movimento. Fluído é uma substância que pode escoar e, dessa forma, otermo inclui líquidos, gases e vapores, que se diferenciam profundamente quanto àcompressibilidade: um gás ou um vapor podem ser facilmente comprimidos, enquantoos líquidos são praticamente incompressíveis. Portanto, as principais característicasdos líquidos são:

a) não possuem forma própria;b) são incompressíveis.

Conceito e definição de pressãoQuando uma força é aplicada de forma distribuída sobre uma superfície, dizemos queexiste uma pressão exercida nessa superfície.

A pressão p exercida sobre uma superfície é igual ao quociente da força F aplicadaperpendicularmente a área A da superfície:

F

AFp =


SENAI38

Caso a força aplicada não seja perpendicular a superfície, é preciso calcular a forçaequivalente FP aplicada perpendicularmente. FP será igual ao produto da força F peloseno do ângulo de inclinação θ entre a superfície e a direção da força F aplicada, ouseja: FP = F.senθ. Portanto, a fórmula para calcular a pressão nesse caso é:A pressão de um líquido ou um gás sobre uma superfície é a força que este fluidoexerce perpendicularmente sobre a unidade de área dessa superfície.

Pressão Atmosférica

Imaginando, por exemplo, um mergulhador a uma dada profundidade, a pressãoexercida pela água sobre ele é a mesma seja qual for a direção em que nade.Entretanto, se ele mergulhar mais fundo, seu corpo sofrerá uma compressão maiorporque aumenta o peso da coluna de água acima dele.

A palavra atmosfera designa a camada gasosa que envolve o globo terrestre.Considerando que o globo é envolvido por uma camada de ar com uma espessuraconsiderável de 50km, podemos afirmar que vivemos submersos em um fluido queexerce uma força em toda superfície da terra.

Esta pressão é chamada de pressão atmosférica ou barométrica. A pressãoatmosférica normal, medida ao nível do mar a uma latitude de 45° sob a ação de umaaceleração da gravidade de 9,80665 m/s2, é a pressão capaz de equilibrar uma colunade mercúrio de 760 mm, quando o mercúrio está a uma temperatura de 0°C.

Medição da Pressão AtmosféricaEm 1643, Torricelli inventou o primeiro barômetro, que permitiu medir a pressãoexercida sobre a terra pelas camadas gasosas que a envolvem.

F

θ

FP

AsenFp θ⋅

=


SENAI 39

Para realizar esse aparelho, usa-se um tubo de vidro (figura) com o comprimento emtorno de 90cm, fechado em uma das extremidades. O tubo deve ser lavado com ácidoe secado em vácuo, após o que, é cheio de mercúrio puro e seco.

h m

mH

g

ESCALA

A

B

Princípio do Barômetro de Mercúrio

Emborcando o tubo de vidro, com o polegar obstruindo a extremidade aberta, ecolocando-o num vasilhame contendo mercúrio puro, nota-se que o mercúrio desce notubo e se estabiliza a uma certa altura. Através de uma régua graduada em milímetros,tendo a parte inferior pontiaguda tocando na superfície do mercúrio contido novasilhame, mede-se a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio.

As pressões exercidas em A e B são iguais, pois estão no mesmo nível, no mercúrio. Apressão em A é a pressão atmosférica; a pressão em B é a pressão da coluna demercúrio. Desde que as pressões em A e B são iguais, a pressão atmosférica é igual àpressão exercida pela coluna de mercúrio.

Ao lado do barômetro, coloca-se um termômetro para eliminar o erro devido à dilataçãodo mercúrio sob a ação da leitura exata. É necessário conhecer outras influências deordem local, tais como latitude, altitude e aquela própria de cada instrumento,proveniente da depressão capilar.

Unidades de Medida de PressãoBasicamente, a unidade de medida de pressão será uma unidade de força sobre umaunidade de área. Desse modo, podemos ter:• N/m2 (newton por metro quadrado), chamada de pascal [Pa]; 1 N/m2 = 1Pa;• Múltiplos do pascal, como kPa (quilopascal) e MPa (megapascal);• kgf/cm2 (quilograma força por centímetro quadrado);• kgf/m2 (quilograma força por metro quadrado);


SENAI40

• lbf/pol2 (libra força por polegada quadrada) = psi (Pound Square Inch);• dyn/cm2 (dina por centímetro quadrado), chamada de bária;• Bar, equivalente a 106 bárias.

No entanto, a pressão pode ser medida pela altura de uma coluna de líquidonecessária para equilibrar a pressão aplicada. Dessa forma, podemos ter:• mmHg (milímetros de mercúrio);• cmHg (centímetros de mercúrio);• inHg (polegadas de mercúrio);• péHg (pés de mercúrio);• mmca (milímetros de coluna de água);• mca (metros de coluna de água);• inca (polegadas de coluna de água).

A pressão também pode ser medida tomando-se como referência a pressãoatmosférica, onde uma atmosfera (1atm) equivale a pressão atmosférica ao nível domar na latitude 45°.

Pressão Absoluta e Relativa

Pressão Efetiva ou Pressão Relativa ou Pressão ManométricaÉ a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo serpositiva ou negativa. A pressão efetiva recebe ainda o nome de pressão relativa oupressão manométrica. Quando se fala em pressão relativa ou efetiva, subentende-seque a pressão é medida tomando-se por referência a pressão atmosférica; e oVÁCUO, como sendo uma pressão negativa em relação à pressão atmosférica.

Quando aplicamos uma pressão de 20psi no pneu de um automóvel, chamamos essapressão de relativa, porque ela é medida em relação à pressão atmosférica.Esvaziando o pneu, teremos, no mesmo, a pressão atmosférica, isto é, zero depressão relativa ou efetiva. Convencionou-se que toda medição de pressão indiquesimplesmente o seu valor, ficando implícito que se trata de relativa.

Pressão AbsolutaÉ a pressão medida a partir do vácuo perfeito, ou seja, a partir do zero absoluto depressão. Para se diferenciar a unidade de medida de pressão absoluta, adiciona-seum índice "a" ou "ABS" a unidade de medida de pressão. Exemplo;


SENAI 41

Pressão relativa: 2 atm, 5 psi, 14 kgf/cm2

Pressão absoluta: 2 atma, 5 psia, 14 kgf/cm2a, 25 BarABS

Diagrama Comparativo entre as Escalas Relativa e AbsolutaO diagrama a seguir mostra claramente que, para cada pressão, podem ser atribuídasduas medidas diferentes, dependendo da escala escolhida.

A pressão absoluta é a soma da pressão relativa com uma pressão equivalente a 1atm, ou seja:

pABS = pREL + 1 atm

Exemplos: 3 atma = 2atm + 1atm 54,697 psia = 40psi + 14,697 psi , pois 1atm = 14,697 psi

O que é importante observar é que, na escala relativa, poderemos ter pressõesnegativas, isto é, inferiores à pressão atmosférica. Tais pressões como vimos,chamaremos de vácuo. Nunca teremos, porém, pressões absolutas negativas, pois amenor pressão absoluta que se pode alcançar é o zero absoluto, indicador do vácuoperfeito.

Escala dePressãoAbsoluta

Escala dePressãoRelativa

0 psia = 0 atma

14,697 psia = 1 atma

-14,697 psi = -1 atm

0 psi = 0 atm

29,394 psia = 2 atma 14,697 psi = 1 atm

região de pressão positiva

região de pressão negativaou vácuo

pressão atmosféricaao nível do mar

zero absoluto de pressão


SENAI42

TABELA DE FATORES DE CONVERSÃO DE PRESSÃO

kgf/c

m²

1,01

972

x 10

-5

1,01

972

x 10

-2

10-1

10-4

2,54

000

x 10

-3

1,01

972

1,35

951

x 10

-3

3,45

315

x 10

-2

1,03

323

7,03

070

x 10

-2

1

psi

1,45

038

x 10

-4

1,45

038

x 10

-1

1,42

233

1,42

233

x 10

-3

3,61

273

x 10

-2

1,45

038

x 10

1

1,93

367

x 10

-2

4,91

153

x 10

-1

1,46

959

x 10

1

1

1,42

233

x 10

1

atm

9,86

925

x 10

-6

9,86

925

x 10

-3

9,67

842

x 10

-2

9,67

842

x 10

-5

2,45

832

x 10

-3

9,86

925

x 10

-1

1,31

579

x 10

-3

3,34

211

x 10

-2

1

6,80

461

x 10

-2

9,67

842

x 10

-1

inH

g

2,95

300

x 10

-4

2,95

300

x 10

-1

2,89

590

2,89

590

x 10

-3

7,35

560

x 10

-2

2,95

301

x 10

1

3,93

701

x 10

-2

1

2,99

213

x 10

1

2,03

602

2,89

591

x 10

1

mm

Hg

7,50

063

x 10

-3

7,50

063

7,35

560

x 10

1

7,35

560

x 10

-2

1,86

832

7,50

063

x 10

2

1

2,54

000

x 10

1

760

5,17

150

x 10

1

7,35

560

x 10

2

Bar

10-5

10-2

9,80

665

x 10

-2

9,80

665

x 10

-5

2,49

089

x 10

-3

1

1,33

322

x 10

-3

3,38

638

x 10

-2

1,01

325

6,89

476

x 10

-2

9,80

665

x 10

-1

inca

4,01

463

x 10

-3

4,01

463

3,93

701

x 10

1

3,93

701

x 10

-2

1

4,01

463

x 10

2

5,35

239

x 10

-1

1,35

951

x 10

1

4,06

782

x 10

2

2,76

799

x 10

1

3,93

701

x 10

2

mm

ca

1,01

972

x 10

-1

1,01

972

x 10

2

103 1

2,54

000

x 10

1

1,01

972

x 10

4

1,35

951

x 10

1

3,45

316

x 10

2

1,03

323

x 10

4

7,03

070

x 10

2

104

mca

1,01

972

x 10

-4

1,01

972

x 10

-1

1 10-3

2,54

000

x 10

-2

1,01

972

x 10

1

1,35

951

x 10

-2

3,45

316

x 10

-1

1,03

323

x 10

1

7,03

070

x 10

-1

10

kPa

10-3 1

9,80

665

9,80

665

x 10

-3

2,49

089

x 10

-1

102

1,33

322

x 10

-1

3,38

638

1,01

325

x 10

2

6,89

476

9,80

665

x 10

1

Pa 1 103

9,80

665

x 10

3

9,80

665

2,49

089

x 10

2

105

1,33

322

x 10

2

3,38

638

x 10

3

1,01

325

x 10

5

6,89

476

x 10

3

9,80

665

x 10

4

DE ↓

PA

RA

→

Pa kPa

mca

(4°C

)

mm

ca

(4°C

)

inca

(4°C

)

Bar

mm

Hg

(0°C

)

inH

g

(0°C

)

atm

psi

kgf/c

m²

Condições de Referência:

1 atm = 760 mmHg (0°C) ao nível do mar e a latitude de 45°

g = 9,80665 m/s2

γHg (0°C) = 13595,08 kgf/m3

γH2O (4°C) = 1000 kgf/m3

1 libra = 0,4535924 kg


SENAI 43

Densidade e Peso Específico dos Fluidos

Densidade Absoluta ou Massa EspecíficaMassa Específica ou Densidade Absoluta é a massa contida numa unidade de volumedo fluido.

onde: ρ : massa específica (rô - letra grega minúscula)m: massaV: volume

As unidades principais da massa específica são:

- CGS: g/cm3

- MKS: kg/m3

Peso específicoPeso específico de um líquido é o peso da unidade de volume desse líquido.

onde: γ : peso específico (gama - letra graga minúscula)P: peso (força peso)V: volume

P=mg (definição de peso, onde m é a massa do corpo e g é a aceleração da gravidade)

As unidades principais do peso específico são:

- CGS: dina/cm3

- MKS:N/m3

- MK*S: kgf/m3

Relação entre massa específica e peso específicoSabemos que :

Vm = ρ

(definição de massa específica)

VP = γ

(definição de peso específico)

=γVP = =

V g).(m ⇒g.

Vm

g.= ργ

Vm = ρ

VP = γ


SENAI44

Densidade RelativaA densidade relativa de um líquido é a comparação que se faz entre o peso destelíquido e o peso de igual volume de água destilada a 4ºC. A densidade é adimensional,ou seja, não apresenta unidade de medida. A densidade relativa indicada por "dr",podendo também ser definida como a razão entre as massas específicas.

agua) da específica (massacorpo) do específica (massa = dr

ou agua) da específico (peso ) corpo do específico (peso

= dr

Exemplos:Calcule a densidade relativa e a massa específica da glicerina, sabendo que seu pesoespecífico vale 1280 kgf/cm3.

γglicerina=1280 kgf/cm3; ρglicerina=1280 kg/cm3; 28,1

cm/kg1000cm/kg1280 = rd

3

3

O2H

glicerina ==ρ

ρ

Ou seja, a glicerina é 1,28 vezes mais densa que a água destilada a 4°C.A densidade do mercúrio é 13,6 , isto significa que um certo volume de mercúrio é 13,6vezes mais pesado que o igual volume de água destilada a 4ºC.

Influência da TemperaturaA variação de temperatura provoca alterações no volume dos fluidos, fazendo com queuma dada unidade de volume apresente diferentes massa de fluido em diferentestemperaturas. Portanto, a massa específica, o peso específico e a densidade relativavariam com mudança de temperatura do fluido.

Tabela de massa específica para água, mercúrio e álcool etílico

MASSA ESPECÍFICA (ρ) - kg / m3

Temperatura ( °C ) Água ( H2O ) Mercúrio ( Hg ) Álcool Etílico (96%)

0 999,78 13595,08 --

4 1000 13585,17 --

10 999,75 13570,33 809,91

15,56 999,08 13556,61 --

20 998,28 13545,68 801,38

25 997,12 13533,38 797,06


SENAI 45

Peso específico de alguns líquidos

Líquido γ(kgf/m3) Líquido γ(kgf/m3)Ácido clorídrico 1190 Éter etílico 0ºC 740

Ácido nítrico 1520 Glicerina 1280

Ácido sulfúrico 1850 Gasolina (15ºC) 680 a 760

Acetona (20ºc) 790 Leite (15ºC) 1030

Álcool Etílico(15ºC)

790 Mercúrio (15ºC) 13600

álcool metílico(4ºC)

810 Óleo de oliva 910

água destilada(4ºC)

1000 Óleo lubrificante 900 a 930

Água do mar 1027 Óleo de cânfora 910

Águas residuais 1001 a 1005 Óleo de algodão(15ºC)

920

Azeite 840 a 941 Óleo de rícino 970

Resina (0ºC) 900 Petróleo (20ºC) 930

Clorofórmio 1520 Querosene 790 a 820

Cerveja 1020 a 1040 Vinho 2450 a 2650

Essência deterebintina

870 ---------------------- ---------------------

Tipos de Pressão

Toda vez que tivermos um fluido escoando em um duto, devido à ação de umventilador, bomba, exaustor etc., devemos considerar três tipos de pressão:

Pressão EstáticaÉ o peso por unidade de área exercido por um fluido em repouso ou que esteja fluindoperpendicularmente à tomada de impulso.


SENAI46

6 m

dr = 0,8

Fluido em Repouso

FLUXO

Fluido em Movimento

Pressão Dinâmica ou CinéticaÉ a pressão exercida por um fluido em movimento. É medida fazendo a tomada deimpulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo. A expressão resultante da forçaviva do fluido pode ser calculada pela fórmula:

Pd V Nm= =ρ

2

22

Pd Vg

kgfm= =γ

2

22


SENAI 47

Pd = pressão dinâmicaρ = massa específica do fluidoV = velocidade do fluidoϒ = peso específico do fluidog = aceleração da gravidade

Pressão TotalÉ a soma das pressões estática e dinâmica. O instrumento que mede as pressõesestática, dinâmica e total é o tubo de Pitot.

FLUXO

21012

21012

21012

PRESSÃOESTÁTICA

PRESSÃODINÂMICA

PRESSÃOTOTAL

Pressão Estática, Dinâmica e Total

Pressão DiferencialÉ a diferença entre duas pressões, também chamada de ∆p (delta p). A diferençaentre duas pressões p1 e p2 equivale à pressão diferencial ∆p:

21 ppp −=∆

Criando-se um obstáculo à passagem do fluido, pode-se obter um diferencial depressão.


SENAI48

FLUXO

OBSTÁCULO:PLACA DEORIFÍCIO

JUSANTEMONTANTE

P1 P2

Pressão Diferencial em uma Restrição

No caso da figura anterior, existe uma diferença entre a pressão na entrada da placade orifício e a pressão na saída. Já no exemplo que se segue, tem-se o ∆p obtido dadiferença entre dois pontos tomados em um tanque.

10 m

dr = 1

P = 5kgf/cm2

Pressão Diferencial em um Reservatório

Instrumentação

SENAI 49

Princípio de Funcionamento

Teorema de StevinEnunciado do Teorema do Stevin:"Á diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produtodo peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos".

h.p γ=∆

Segue então que todos os pontos situados na profundidade "h", em um recipiente,estão submetidos a uma igual pressão. Temos então planos paralelos na superfícielivre do líquido, cujos pontos têm, todos, a mesma pressão. Consideremos os tanquesabaixo cheios de água:

2m2m

2m

0,5m 0,5m1m

1m

2m 2m

Volume do tanque A = 2m3

Volume do tanque B = 1m3

Volume do tanque c = 4m3

Peso da água no tanque A: kgf2000m2

mkgf1000 33 =•

Peso da água no tanque B: kgf1000m1

mkgf1000 33 =•

Instrumentação

SENAI50

Peso da água no tanque C: kgf4000m4

mkgf1000 33 =•

Pressão no fundo dos tanques:

Pressão Ap

=

Tanque A: 22A m

kgf2000m1

kgf2000p ==

Tanque B: 22B m

kgf2000m5,0kgf1000p ==

Tanque C: 22C m

kgf2000m2

kgf4000p ==

Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor.Em seguida, temos a demonstração matemática do conceito do Teorema de Stevin:

Pressão = Ap

ÁreaPeso

ÁreaçaFor

==

Peso = Peso específico . volume = γ . VEntão:

AV

APp •γ==

Mas, V = área . altura = A . h, resultando:

hA

hAP •γ=••γ

=

Pressão no fundo do tanque = h.γ

Conclui-se, portanto, que a pressão no fundo dos tanques possui o mesmo valor. Estaexpressão é chamada de carga de pressão, sendo dada pelo Teorema de Stevin.

Instrumentação

SENAI 51

A expressão h.p γ= é muito importante em instrumentação, na medição de nível detanques. Ela simplifica os cálculos, porque, para determinar-se a pressão, bastaapenas o peso específico do líquido e da altura da coluna líquida.

Uma variação do Teorema de Stevin é a seguinte:

hdrp ⋅=∆

onde: dr é a densidade relativa. No entanto, a unidade de medida de pressão quandose usa essa fómula é a unidade de medida da altura h em coluna de água (ca),independente do líquido ou do valor de seu peso específico. Ou seja:Se h for em metros, a unidade de pressão será metro de coluna de água (mca); se hfor em polegadas, a unidade de pressão será a polegada de coluna de água (inca).

Outros Sensores de Pressão

Sensor CapacitivoA principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dossistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e osensor.

Este tipo de sensor resume-se na deformação, diretamente pelo processo de uma dasarmaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que émedida por um circuito eletrônico.

Esta montagem , se por um lado , elimina os problemas mecânicos das partes móveis,expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo , principalmente atemperatura do processo . Este inconveniente pode ser superado através de circuitossensíveis a temperatura montados juntos ao sensor .

Outra característica inerente a montagem , é a falta de linearidade entre a capacitânciae a distância das armaduras devido á deformação não linear , sendo necessárioportanto , uma compensação ( linearização ) à cargo do circuito eletrônico.

Instrumentação

SENAI52

O sensor é formado pêlos seguintes componentes :• Amaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido• Dielétrico formado pelo óleo de enchimento ( silicone ou fluorube )• Armadura móvel ( Diafragma sensor )

Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produzuma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento .A força atinge a armadura flexível ( diafragma sensor ) provocando sua deformação ,alterando portanto , o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e aarmadura móvel . Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico que gera um sinalproporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressãodiferencial capacitiva .

Sensor Strain-GaugeBaseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suasdimensões.

Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral daresistência :

R = ρ . L S

R : Resistência do condutorρ : Resistividade do materialL : Comprimento do condutorS : Área da seção transversal

Instrumentação

SENAI 53

A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamenteproporcional a resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área daseção transversal .

A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos omesmo no sentido axial como mostrado a seguir :

Seguindo esta linha de raciocínio, concluímos que para um comprimento L obtivemos∆L , então para um comprimento 10 x L teríamos 10 x ∆L , ou seja , quanto maior ocomprimento do fio , maior será a variação da resistência obtida e maior asensibilidade do sensor para uma mesma pressão ( força ) aplicada.

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base , dobrando-se tão compacto quanto possível .

Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a seguir :

Observa-se que o fio , apesar de solidamente ligado a lâmina de base , precisa estareletricamente isolado da mesma .

Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto aoutra extremidade será o ponto de aplicação de força .

Instrumentação

SENAI54

Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão , suas fibrasinternas serão submetidas à dois tipos de deformação : tração e compressão .

As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração pois pertencem aoperímetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras internas sofrem uma reduçãode comprimento ( menor raio de curvatura ).

Como o fio solidário à lâmina , também sofrerá o alongamento , acompanhando asuperfície externa , variando a resistência total .

Visando aumentar a sensibilidade do sensor , usaremos um circuito sensível avariação de resistência e uma configuração conforme esquema a seguir :

Instrumentação

SENAI 55

Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas éo circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado a seguir, que tem a vantagemadicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos oselementos estão montados em um único bloco.


SENAI 57

Medição de temperatura

TermometriaIntroduçãoTermometria significa "Medição de Temperatura", é o termo mais abrangente que incluitanto a pirometria como a criometria que são casos particulares de medição.

Pirometria - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiaçãotérmica passam a se manifestar.

Criometria - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zeroabsoluto de temperatura.

Temperatura na IndústriaA temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria de processamento.Praticamente todas características físico-químicas de qualquer substância alteram-sede uma forma bem definida com a temperatura.

Exemplificando:-• Dimensões (Comprimento, Volume).• Estado Físico (Sólido, Líquido, Gás).• Densidade.• Viscosidade.• Radiação Térmica.• Reatividade Química.• Condutividade.• pH.• Resistência Mecânica.• Maleabilidade, Ductilidade.


SENAI58

Assim, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seucomportamento provocando por exemplo:-- Uma aceleração ou desaceleração do ritmo de produção.- Uma mudança na qualidade do produto.- Um aumento ou diminuição na segurança do equipamento e/ou pessoal.- Um maior ou menor consumo de energia.

Conceito de TemperaturaTemperatura é uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibraçãoe/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Todas as substâncias são constituídasde átomos que por sua vez, se compõe de um núcleo e um envoltório de elétrons.Normalmente estes átomos possuem uma certa energia cinética que se traduz naforma de vibração ou mesmo deslocamento como no caso de líquidos e gases.

A energia cinética de cada átomo em um corpo não é igual e constante, muda de valorconstantemente, num processo de intercâmbio de energia interna própria.

Baseado nesta conceituação, pode-se definir a temperatura da seguinte forma:"Temperatura é a propriedade da matéria que reflete a média da energia cinética dosátomos de um corpo".

Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, onde, quantomaior o seu valor, maior é a energia cinética média dos átomos do corpo em questão.

Outros conceitos que se confundem às vezes com o de temperatura são:• Energia Térmica.• Calor.

A Energia Térmica de um corpo é a somatória das energias cinéticas dos seus átomos,e além de depender da temperatura, depende também da massa e do tipo desubstância.

O Calor é a energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença detemperatura.

A temperatura sob ponto de vista da experiência do homem no seu cotidiano, introduzo uso dos termos quente e frio. A sensação de quente é o resultado do fluxo de calor


SENAI 59

de um corpo qualquer para o nosso próprio, decorrente de uma maior temperaturadaquele corpo.

A sensação de frio aparece quando o nosso corpo cede calor para outro qualquer. Asuperfície do corpo humano está coberta de sensores de temperatura que nosinformam a cada instante do estado térmico do ambiente que nos cerca.

As sensações de quente e frio que sentimos são relativas, um corpo à mesmatemperatura pode nos transmitir sensações diversas dependendo das condiçõesfísicas e psicológicas do nosso corpo.

Os nossos sentidos não são adequados para medir temperatura com segurança, alémde atuarem em uma faixa de temperatura bastante estreita, próxima à temperatura dopróprio corpo, devido ao aparecimento da dor.

Até o final do século XVI, quando foi desenvolvido o primeiro dispositivo para avaliartemperatura, os sentidos do nosso corpo foram os únicos elementos de quedispunham os homens para dizer se um certo corpo estava mais quente ou frio do queum outro, apesar da inadequadamente destes sentidos sob o ponto de vista científico.

Formas de transferência de calor

Condução (sólidos):Transferência de calor por contato físico. Um exemplo típico é o aquecimento de umabarra de metal.

Convecção (líquidos e gases):Transmissão ou transferência de calor de um lugar para o outro pelo deslocamento dematerial. Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma convecçãoforçada. Quando o material aquecido se move por diferença de densidade, existe umaconvecção natural ou livre.

Radiação (sem contato físico):Emissão contínua de energia de um corpo para outro, através do vácuo ou do ar(melhor no vácuo que no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiantepossui a forma de ondas eletromagnéticas e propagam-se com a velocidade da luz.


SENAI60

Escalas de Temperatura

HistóricoO primeiro instrumento desenvolvido para avaliar temperaturas foi um termoscópiofabricado por Galileu Galilei, sábio italiano, em 1592. Este instrumento permitiacomparar as temperaturas de dois ambientes, sem atribuir valores numéricos àsmesmas, donde provém o seu nome. Hoje se sabe que a pressão atmosférica afetavaas indicações deste termoscópio, limitando a precisão das indicações.

Em 1654, Ferdinand II, Duque de Toscânia, fabricou termômetros na forma usual, ouseja, um bulbo e capilar de vidro, cheios parcialmente de álcool e totalmente selado dapressão atmosférica. Neste instrumento, a propriedade usada para detectar variaçõesde temperatura é a dilatação do álcool.

Robert Hooke em 1664 estabeleceu o primeiro ponto de referência em termômetro,atribuindo o valor zero ao ponto onde se estabilizava a coluna de álcool, quando otermômetro era colocado no gelo fundente.

Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes determômetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada àtemperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para Peso,Distância, Tempo. Era um dilema, que foi sendo resolvido gradativamente ao longo demuitos anos de evolução técnica. Por exemplo, em 1665 o cientista e matemáticoholandês Christian Huygens escreveu:- "... Seria bom existir um padrão universal edeterminado de calor e frio, fixando uma proporção definida entre a capacidade dobulbo e do tubo, e então tomando para o começo o grau de frio no qual a água começaa congelar, ou melhor, a temperatura da água em ebulição..."

Foi somente em 1694 que Carlo Renaldini, ocupava a mesma cadeira de matemáticana Universidade de Pádua que ocupava Galileu, sugeriu tomar o ponto de fusão dogelo e de ebulição da água como dois pontos fixos de temperatura em uma escala determômetro. Ele dividiu o espaço entre eles, em 12 partes iguais. Infelizmente estaimportante contribuição para a Termometria foi esquecida.


SENAI 61

Newton, em 1701, definiu uma escala de temperatura baseada em dois pontos fixosreprodutíveis. Para um ponto fixo escolheu o ponto de fusão do gelo, e o chamou dezero. Para o outro ponto fixo ele escolheu o número 12 a este ponto.

Baseado no que Newton chamava de "Partes iguais de calor", a água fervia no número34 desta escala.

Em 1706 Daniel Gabriel Fahrenheit, fabricante de termômetros de Amsterdã, definiuuma escala de temperatura, possuía 3 pontos de referência 0, 48 e 96. Números querepresentavam nas suas palavras o seguinte:- "... 48 no meu termômetro é o meioentre o frio mais intenso produzido artificialmente por uma mistura de água, gelo e sal-amoníaco, ou mesmo sal comum, e aquela (Temperatura) que é encontrada nosangue de um homem saudável..."

Fahrenheit encontrou que na sua escala o ponto de fusão do gelo valia 32 e o deebulição da água 212 aproximadamente. Estes pontos, posteriormente formaconsiderados mais reprodutíveis e foram definidos como exatos e adotados comoreferência.

Em 1742, Anders Celsius, professor de Astronomia na Suécia, propôs uma escala como zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água, no ano seguinteChristian de Lyons, independentemente sugeriu a familiar escala centígrada(atualmente chamada escala Celsius).

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram a Fahrenheit e a Celsius. A escalaFahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 noponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit.

Toda temperatura na escala Fahrenheit é identificada com o símbolo "ºF" colocadoapós o número (Ex. 250ºF)A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado"utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada.

A identificação de uma temperatura na escala Celsius é feita com o símbolo "ºC"colocado após o número (Ex.: 160ºC).


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Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valoresnuméricos de referência são totalmente arbitrários. Existe entretanto escalas absolutasde temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no ponto teórico onde atemperatura atinge o seu valor mínimo, no ponto onde a energia cinética dos átomosse anula.

Existem duas escalas absolutas atualmente em uso; a Escala Kelvin e Rankine. AEscala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual à umgrau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível,273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius. A Escala Rankine possui obviamente omesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. Arepresentação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:- Kelvin → 400K(sem o símbolo de grau "º"). Rankine → 785 R.

A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos daAmérica, porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitaçãouniversal. O sistema internacional de unidades adota (ºC) graus Celsius.

A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir nofuturo a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit.

Existe uma outra escala relativa, a Reaumur, hoje já praticamente em desuso. Estaescala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. Ointervalo é dividido em oitenta partes iguais. (Representação - ºRe).

Escalas Relativa e Absoluta

Escala relativa de TemperaturaA escala relativa de temperatura utiliza como referência pontos fixos de temperatura dedeterminadas substâncias.

Pontos fixos de temperaturaA temperatura interna do corpo humano pode ser considerada como um ponto fixo detemperatura. Entretanto esta temperatura é afetada por vários fatores que diminuem aprecisão deste padrão.


SENAI 63

A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmentedesenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pelasubstância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado.

-273,15

0

100

374

1000

Co

CALOR SENSÍVEL

CALOR LATENTE

T1 T2PONTO TRIPLO H O

2(0,01 C)o

L+S

L+G

TEMPERATURA CRÍTICAVAPOR + GÁS

DECOMPOSIÇÃO DAH O

(H + 0 )22

2

PRESSÃO = 1 Atm

(LÍQUIDO, SÓLIDO, GASOSO)

Calor sensível: - é a quantidade de calor necessária para que uma substância mude asua temperatura até que comece a sua mudança de estado, onde teremos o calorlatente.

Calor latente: - a quantidade de calor que uma substância troca por grama durante amudança de estado.

Apesar do calor cedido a água ser constante durante toda a experiência, nota-se quedurante a fusão do gelo, entre t1 e t2, e ebulição da água, entre t3 e t4 a temperaturapermanece constante. Se mantivermos uma mistura de água e gelo em equilíbrio, atemperatura permanecerá constante apesar de existir fluxo de calor entre a mistura e oambiente.

Esta mistura de duas ou três fases (Vapor, Líquido e Sólido) em equilíbrio, gera o quese convencionou chamar de "Ponto Fixo de Temperatura". Visando uma simplificaçãonos processos de calibração, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas,relacionou uma série de pontos fixos secundários de temperatura, conforme mostradona Tabela abaixo.


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PONTOS FIXOS TEMPERATURA(ºC)

Ponto de Ebulição do Nitrogênio -195,798

Ponto triplo do Hélio -259,3467

Ponto triplo da água 0,010

Ponto de Solidificação do Estanho 231,928

Ponto de Solidificação do Alumínio 660,323

Ponto de Ebulição do Oxigênio -182,954

Ponto de Solidificação da Prata 961,78

Ponto de Solidificação do Cobre 1084.62

Ponto de Solidificação da Platina 1064,180

Escala Absoluta de TemperaturaNão existe limite superior para a temperatura de uma substância qualquer. À medidaque sobe a temperatura, ocorre uma série de transformações físico-químicas nasubstância, por exemplo:- Fusão, Evaporação, Decomposição Molecular, Ionização,Reações Nucleares, etc...

Se usarmos a substância água como exemplo, teríamos as seguintes temperaturas naescala Celsius, associados a estas transformações:-

Fusão - 0ºC (por definição).Evaporação - 100ºC (por definição).Decomposição (H2O em H2 e O2) entre 1000 e 3000ºC.Ionização - (perda de elétrons) - acima de 2000ºC.Reações nucleares (fusão de hidrogênio) - acima de 15.000.000ºC.

Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um pontolimite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura.Este ponto, onde cessa praticamente o movimento atômico, é o zero absoluto detemperatura.

Zero absoluto: - é o estado em que praticamente cessa o movimento atômico.

As escalas absolutas (Kelvin e Rankine) atribuem o valor zero à temperatura maisbaixa possível.

A escala Kelvin possui a graduação igual a da Celsius, portanto:-0 K = -273,15ºC e 0 R = 273,15ºC


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A escala Rankine possui a graduação igual a da Fahrenheit, portanto:-0 K = -459,67ºF e 0 R = 459,67ºF.

É evidente que uma escala absoluta não pode ter temperaturas negativas.

Escala Internacional Temperatura (ITS90)Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada emfenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem emcondições únicas de temperatura e pressão, determinando os pontos fixos detemperatura.

A IPTS- Escala prática Internacional de temperatura, foi a primeira escala práticainternacional de temperatura e surgiu em 1927. Foi modificada em 1948(IPTS-48), em1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova IPTS foi publicada (IPTS-68).

Em 1990, a Comissão Internacional de Pesos e Medidas, homologou uma nova escalade temperatura, a ITS-90, definida a partir de vários pontos fixos de temperatura e comauxílio de instrumentos padrão de interpolação.

A ITS-90 foi definida através de fenômenos determinantes de temperatura, isto é,pontos fixos de determinadas temperaturas.

Pontos fixos IPTS-68 (graus Celsius) ITS-90 (graus Celsius)

Ebulição do Oxigênio -182,962 -182,954

Ponto triplo da água 0,01 0,01

Solidificação do Estanho 231,968 231,928

Solidificação do Zinco 419,58 419,527

Solidificação da Prata 961,93 961,78

Solidificação do Ouro 1064,43 1064,18


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Os valores numéricos dos pontos fixos de temperatura, são determinados pelatermometria à gás, e os instrumentos de interpolação são:

- Na faixa de -259,34ºC a 630,74ºC é termômetro de resistência de platina.

- Na faixa de 630,74ºC a 1064,43ºC é o termopar de platina com 10% de ródio eplatina.- Acima de 1064,43ºC é o pirômetro óptico.

Existem várias equações que relacionam a temperatura e a propriedade termométricautilizada nestes instrumentos (resistência elétrica, FEM termoelétrica e energiaradiante). Através do uso destas equações pode-se determinar com precisão atemperatura em que se encontra um determinado corpo de prova.

Esta escala de temperatura é transferida para outros instrumentos de utilização maissimples, mantendo-se o erro de faixas bastante estreitas. Em princípio, de uma formaindireta, todo termômetro usado na prática tem a sua calibração relacionada à EscalaInternacional de Temperatura.

Conversão de Escalas - Exercícios

- FormulárioA figura compara as escalas de temperatura existentes.

100

50

0

212

122

32

Co Fo373

323

273

K672

582

492

R

Co K Fo R

Desta comparação podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:-


SENAI 67

• CELSIUS X FAHRENHEIT→

º C 5

= º F - 32 9

• CELSIUS X KELVIN→ K = 273,15 + º C

• FAHRENHEIT X RANKINE→ R = 459,67 + º F

• KELVIN X RANKINE→ K = º R . 5

9

Outras relações podem ser obtidas combinando as apresentadas entre si. É importanteobservar a diferença entre, por exemplo, 1ºC e 1 grau Celsius.

O primeiro significa uma determinada temperatura e o segundo significa um intervalode temperatura.

Se pretendermos passar para a escala Fahrenheit, teremos:-

• 1º caso:- 1ºC → 1º C

5 = º F - 32

9 → 1ºC = 33,8ºF (Fórmula 1)

• 2º caso:- 1 grau Celsius = 9 º F

5 = 1,8 Grau Fahrenheit

(Utilizando a relação entre as dimensões do grau Celsius e o Grau Fahrenheit)

Termômetro à dilatação de sólido ou Termômetro Bimetálico

Princípio de FuncionamentoA operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dosmetais com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica variacom a temperatura segundo a fórmula aproximada:

L = Lo (1 + α t)


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Onde: L = comprimento da barra à temperatura t.Lo = comprimento da barra à 0ºC.t = temperatura da barra.α = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado

Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado medição das variações decomprimento de uma barra metálica. A figura mostra dois tipos de termômetrosbaseados diretamente neste fenômeno:- O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e umsistema mecânico para amplificação das pequenas variações de comprimento dabarra.- O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feitode material de coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixocoeficiente de dilatação.

PONTEIRO

AMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

TUBO DE DILATAÇÃO

(LATÃO)

HASTE DETRANSMISSÃO

(INVAR)

PONTEIROAMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

BARRA DE DILATAÇÃOAJUSTE DE

ZERO

Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes:

- O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetrolenta.- A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitandode uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação.

Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício:- Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimentoa 0ºC é de 300mm. Quando ela for submetida a uma temperatura de 100ºC.


SENAI 69

Dado:Coeficiente de dilatação linear de ferro→ αFe = 12.10-6.ºC-1

L = 10.(1 + α.t)L = 300.(1 + 12 . 10-6 . 100)L = 300.(1 + 0,0012)L = 300. (1,0012) = 300,36mm

Onde: L = comprimento à 100ºC.Lo = comprimento à 0ºC.t = 100ºC.

Variação de comprimento:

∆L = L - Lo

∆L = 300,36 - 300,00∆L = 0,36mm

Portanto uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm, provoca umavariação de apenas 0,36 em seu comprimento.

O BimetalFixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes demaneira indicada na figura, e submetendo o conjunto assim formado a uma variaçãode temperatura, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Oencurvamento é devido as diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais, sendoo segmento de círculo a forma geométrica que comporta as duas lâminas comcomprimentos diferentes.

Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica, o movimento daoutra ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema ébem superior à do apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for ocomprimento da lâmina e a diferença entre os dois coeficientes de dilatação dosmetais.

Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura aseguir.


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MATERIAL A

MATERIAL B

αA > αB

O Termômetro BimetálicoNa prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o queaumenta mais ainda a sensibilidade do sistema conforme a figura.

ESPIRAL HELICOIDAL

O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. E consiste de um tubobom condutor de calor, do interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe umponteiro que se desloca sobre uma escala.


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APOIO

METALHELICOIDAL

HASTEDE

TRANSMISSÃO

APOIO

Normalmente o eixo gira de um ângulo de 270º para uma variação de temperatura quecubra toda a faixa do termômetro.

Material de Construção

Faixa de Trabalho e ExatidãoA sensibilidade do termômetro depende das dimensões de hélice bimetálica e dediferença de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se 1 INVARcomo metal de baixo coeficiente de dilatação.INVAR:- (Aço com aproximadamente 36% de níquel e que possui baixo coeficiente dedilatação, aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns).

O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação e para temperaturasmais elevadas usa-se ligas de níquel.A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50ºC à800ºC, sendo a escala sensivelmente linear.A exatidão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo da escala.

Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos emecânicos após a confecção, usando a estabilização do conjunto (repetibilidade).


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Termômetro de ResistênciaPrincípio de FuncionamentoO princípio de medição de temperatura por meio de termômetros de resistência,repousa essencialmente sobre a medição de variação da resistência elétrica de um fiometálico em função da temperatura. A relação matemática entre a resistência de umcondutor e sua temperatura é dada pela fórmula aproximada:

R = Ro (1 + αT) Equação nº1

Onde: R = resistência à TºC.Ro = resistência à 0ºC.α = coeficiente de variação de resistência do metal com a temperatura.T = temperatura.

Esta fórmula nos diz que a resistência varia linearmente com a temperatura, porém arigor o coeficiente de variação de resistência (α) muda de valor para cada faixa detemperatura, o que limita o uso da fórmula apenas para pequenas variações detemperatura.

A relação matemática mais geral é a seguinte:-

R = Ro (1 + α1T + α2T2 + α3T3 + ... + αnTn)

Onde: R = resistência à TºC.Ro = resistência à 0ºC.α1, α2, α3, αn = coeficiente de variação de resistência do metal.T = temperatura.

Podemos observar que os termos do 2º grau e maiores (α2T2,α3T3...) contribuem paranão linearidade da relação, sendo que quanto maior o valor das constantes dos termosde 2º grau para cima, maior o afastamento da linearidade.

Tipos de Bulbo de Resistência

Características Desejáveis:O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos sensores de temperatura, devepossui características apropriadas, como:


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- Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn), quantomaior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação detemperatura, tornando mais fácil e precisa a sua medição.

- Maior resistividade, isto é, para pequenas dimensões de fio uma alta resistênciainicial.

- Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio(resistência à corrosão, baixa histerese, etc.).

- Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas deleitura de maior precisão e com maior comodidade de leitura.

Tipos de Metal Utilizados e Faixa de Utilização:Os metais utilizados com maior frequência na confecção de termo resistência são:-

- platina (Pt)- níquel (Ni)- cobre (Cu)

Para pequenas faixas de temperatura um coeficiente médio α, variação de resistência,pode ser utilizado. Porém, para faixas mais amplas, necessita-se a introdução doscoeficientes de ordem superior, para uma maior aproximação à curva real de radiaçãoR versus T.

Por exemplo, no caso da Platina, dois coeficientes são suficientes até a temperatura de649ºC, esta relação é quadrática e se afasta da relação linear em aproximadamente7% no valor máximo.

Para Cobre, são necessários três (3) constantes válidas até a temperatura de 121ºC.Apesar das três constantes, a relação entre a resistência e a temperatura ésensivelmente linear (pequenos valores de α1 e α2).

Três constantes são necessárias para o Níquel na faixa usual da temperatura, sendo arelação sensivelmente não linear.

A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir:-


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PLATINA - faixa - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC.

NÍQUEL - faixa - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC.

COBRE - faixa - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC.

Tipos de Construção:Normalmente a termoresistência é constituída de um fio muito fino, enrolado sobre umsuporte isolante que poderá ser de mica, vidro ou cerâmica. Este conjunto é isolado eencapsulado em vidro ou cerâmica, tornando a resistência assim constituída, isoladado meio ambiente.

O termo elemento pode ser protegido por uma fina capa metálica e será utilizadodentro do poço de proteção.

ENROLAMENTO DE PLATINA VIDRO, QUARTZO OU CERÂMICA

TERMINAIS DE PRATA OU COBRE

ENROLAMENTO DE NÍQUEL

CARRETEL DE MICA, CELERON

As extremidades dos fios de resistência são soldados em fios de prata ou cobre, quepor sua vez vão ter a um bloco terminal existente no cabeçote do poço de proteção.Em casos especiais são fabricados termoresistências duplas no mesmo conjunto, seja


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para maior segurança ou para acionar simultaneamente dois ou mais dispositivos demedição e/ou controle.

No caso de baixas temperaturas, melhora-se a condução de calor do poço para atermoresistência, pressurizando-se o mesmo com um gás bom condutor de calor(hélio). Simultaneamente esta prática protege os dispositivos contra condensaçõesinternas que poderiam afetar a resistência da sonda.

ExatidãoA exatidão dos termômetros de resistência, quando corretamente instalados, é grande,pode atingir a ± 0,01ºC. Normalmente as sondas utilizadas industrialmente apresentamuma precisão de ± 0,5ºC. No Brasil usa-se normalmente a norma DIN-iec 751/85 queestabelece para termômetros de resistência de platina o valor de 100,00Ω a 0ºC, e de138,50Ω a 100ºC.

Tempo de Resposta, Padronização das TermoresistênciasO tempo de respostas depende, como em todos tipos de termômetros já citados, damassa do poço de proteção, da transmissão de calor entre o fluído e o poço, entre opoço e a termo resistência e da própria temperatura medida.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

LÍQUIDO

AR

%

TEMPO(MIN)1 2 3

Fig. 19

Outros valores utilizados de resistência são:-


SENAI76

- Platina - 50Ω a 0ºC, 10Ω à 0ºC.- Níquel - 100Ω à 0ºC, 120Ω à 0ºC, 300Ω à 0ºC (muito variável).- Cobre - 10Ω à 0ºC, 25Ω à 20ºC.

Termistores

É o nome dado a elementos semicondutores, normalmente óxidos metálicosaglutinados à alta temperatura. As características principais dos termistores são:

- Sua alta resistividade possibilitando a construção de elementos da massa diminuta.

- Elevado coeficiente de variação de resistência possibilitando a construção determômetros com faixa de utilização bastante estreita.Nota:- O coeficiente de variação de resistência dos termistores alcança normalmente 8a 10 vezes o valor dos metais comuns.

- Sua robustez e durabilidade praticamente ilimitada.A relação matemática entre a temperatura e a resistência é dada pela fórmula:-

R = a . eb/T

Onde: R = é a resistência à temperatura T.a e b = são parâmetros característicos de cada termistor.e = base dos logarítmos heperianos (e=2,718)T = temperatura absoluta (K).

Desta equação podemos concluir que:1. O coeficiente de resistência do termistor é negativo, isto é, a resistência diminui como aumento de temperatura como mostra a fig. 20.


SENAI 77

20

40

60

80

100

C

RESISTÊNCIA KΩ15 30

120

140

70

o

Curva R x T de um Termistor (FENWALL K 1382)

2. A relação entre a temperatura e as resistências não é linear e sim logarítmica.

A faixa de utilização dos termistores está usualmente entre -80 e 700ºC.

Sua aplicação mais notável é no controle de temperatura de ambientes aquecidos porresistências elétricas (por exemplo) a câmara de análise de um analisador, devido asua alta sensibilidade e pequena inércia térmica pode comandar o circuito deaquecimento, e manter a temperatura dentro de uma faixa de ± 0,02ºC.

A figura a seguir mostra algumas formas típicas de termistores.

Medidores de Temperatura por Termoresistência

Princípio de Medição BásicoA medição de temperatura por meio de termoresistência consiste em se medir aresistência do sensor e traduzí-la em uma escala de temperaturas.


SENAI78

Teoricamente, o circuito apresentado na figura abaixo proporcionaria as indicações detemperatura procuradas na termoresistência Rx, medindo-se a corrente (i) que circulano circuito e medindo-se Rx através da lei de Ohm.

mA

r

Rx

E

Circuito Elementar para Medição de Rx

r - iE =Rx

Onde: Rx = resistência do sensor de temperatura.r = resistência do circuito.E = bateria de alimentação.

Conhecendo-se a relação entre Rx e a temperatura do mesmo, pode-se, baseado naequação do circuito acima, calibrar o miliamperímetro em valores de temperatura.Embora tecnicamente correto este circuito não é usado na prática, pois apresenta umasérie de inconvenientes quais sejam:-

- A corrente no circuito depende das resistências associadas (fios de ligação,miliamperímetro, fonte).

- A corrente no circuito depende da tensão de alimentação (E).

- A escala não seria linear.

Tipos de Circuito de Medição UtilizadosPodemos classificar os medidores nos seguintes tipos:

1. Circuito em ponte.

2. Circuito elementar com bobina de compensação (sistema de galvanômetro àbobinas cruzadas).


SENAI 79

Circuito em Ponte:O circuito de medição em ponte é o mais utilizado na medição de resistência econsequentemente na medição de temperatura. Existem dois tipos principais:-

1º Tipo:- Medição por ponte não equilibradaA ponte de medição mais utilizada é usualmente a de WHEASTONE, como mostra afigura abaixo:

G

B

A

R1

R2 R3

R4

RE

E

+

-

Ponte de Wheatstone

O equilíbrio da ponte é atingido quando R1 . R3 = R2 . R4 . Conhecendo-se R3 podemosdeduzir o valor de R4 , isto é, o seu valor Ôhmico.

R1 . R3 = R2 . R4 (se R1= R2).R3 = R4

Ligação a dois fiosAs resistências RL são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. Aresistência aumenta quando a distância do sensor até o instrumento for maior, atemperatura for maior e a bitola do fio menor.

R1 . R3 = R2 . (RL + RL + R4)


SENAI80

G

B

A

R1

R2 R2

R4

RE

E

+

-

RL

RL

R3 = RL + RL + R4

RL + RL dependendo de seus valores podem induzir graves erros em medições detemperatura com termoresistências.

Ligação a três fiosQuando a ligação entre a termoresistência e o instrumento for grande, usa-se osistema de ligação compensado com três fios (Sistema SIEMENS) como mostra afigura a seguir.

GC

B

D

A

R1

R2 R3

R4

RA

E

+

-

RL

RL

RL

É o método mais utilizado nas indústrias. Esta configuração faz com que a alimentaçãofique o mais próximo possível do sensor.R1 . (R3 + RL )= R2 . (R4 + RL)R1 = R2


SENAI 81

Como os fios de ligação são do mesmo tipo, possuem o mesmo comprimento ediâmetro e estão na mesma temperatura, então:RL=RL

R3 = R4

Conhecendo o valor de R3 tem-se o valor do sensor e conseqüentemente consultandoa tabela, obtemos a temperatura. O terceiro fio atua somente como condutor decompensação, não influenciando nos cálculos de medição da resistência.A integridade da medição de uma ligação de três fios pode ser mantida somente se aponte for balanceada.

Ligação a quatro fios

VSENSOR

CONDUTORES DE TENSÃO CONDUTORES

DE CORRENTE

FONTE DE CORRENTE

Esta ligação é utilizada em medições de laboratório e esporadicamente na indústria,pois requer 2 medições e um cálculo para o resultado.

Medição de Temperatura por Termopares

Efeitos TermoelétricosA aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura estábaseada em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER,VOLTA e THOMSON.

“A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmenteuma generalização das observações experimentais.”

Hipótese:- explica através de modelos, uma ou mais leis sendo possível relacioná-las.

Experiência de SEEBECK


SENAI82

Em 1821, o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico, sendo aaplicação na medição de temperatura introduzida pelo físico francês BECQUEREL.

A experiência de SEEBECK (figura) demonstrou que num circuito fechado, formadopor dois fios de metais diferentes, se colocarmos os dois pontos de junção àtemperaturas diferentes, se cria uma corrente elétrica cuja intensidade é determinadapela natureza dos dois metais, utilizados e da diferença de temperatura entre as duasjunções.

Na experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de Bismuto(B), e como detetor da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnéticocriado pela corrente.

S N

A

B

V2

T2

V1

T1

Experiência de PELTIEREm 1834, o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK,mostra que se fazendo passar uma corrente elétrica, por um par termoelétrico, umadas junções se aquece enquanto a outra se resfria.

Na fig. as duas ampolas interligadas, funcionam como um termômetro diferencial. Ajunta da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.

BA A

i h


SENAI 83

Efeito VoltaA experiência de PELTIER pode ser aplicada através do efeito VOLTA enunciado aseguir:-

"Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entreeles uma diferença de potencial que pode ser de ordem de volt". Esta diferença depotencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

Efeito ThomsonEm 1851, o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin), mostra que se colocarmos asextremidades de um condutor homogêneo a temperaturas diferentes, uma forçaeletromotriz aparecerá entre estas duas extremidades, sendo esta, chamada F.E.M.THOMSON.

Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura, não pode ser medidadiretamente.

A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico é resultante dos efeitos VOLTA(PELTIER) e THOMSON tomados em conjunto.

A T2T1

V

Leis da Termoeletricidade

a) Lei do Circuito Homogêneo:-Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma correnteelétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M.VOLTA e THOMSON é nula.


SENAI84

- Conseqüência:- A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junçõesem temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou dadistribuição de temperatura ao longo dos fios.

As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M., são as das duas junções (JuntaFria e Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M.resultante.

b) Lei das Temperaturas Intermediárias (sucessivas):-A F.E.M. desenvolvida por qualquer termopar de metal homogêneo com suas junçõesem duas temperaturas quaisquer T1 e T3 respectivamente é a soma algébrica daF.E.M. do mesmo termopar com suas junções a temperaturas T2 e T3 respectivamente.A representação gráfica da figura a seguir mostra a lei mencionada.

B(-)

T3T1

T3T1 T2

A(+)

3F.E.M.= E = E + E1 2

F.E.M.= E1 F.E.M.= E2

A(+)

A(+)

B(-) B(-)

E1 = ET1 - ET2

E2 = ET2 - ET3

E3 = ET1 - ET3

Se somarmos E1 + E2 temos:E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3

E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3

Portanto:E3 = E1 + E2


SENAI 85

- Conseqüência:-1º) Se a F.E.M., de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina,é conhecida, então a F.E.M., de qualquer combinação dos metais pode ser obtida poruma soma algébrica.2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente, e atemperatura da junta de medição pode ser encontrada, por simples diferença,baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão, por exemplo 0ºC,20ºC.

c) Lei do Metal Intermediário:-A soma algébrica da F.E.M., em um circuito composto de um certo número de metaisdiferentes é ZERO se todo circuito estiver a uma só temperatura.

A

B

T2T1

CT3 T3

De outra maneira:-“A fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito forinserido um metal qualquer, diferente do já existente, desde que as novas junçõessejam mantidas a temperaturas iguais.”

- Conseqüência:- Em virtude desta lei, pode-se inserir o instrumento de medição daF.E.M. (Voltímetro) com seus fios de ligação em qualquer ponto do circuitotermoelétrico sem alterar a F.E.M. original.


SENAI86

A

B

T1mV

A

B

METALINTERMEDIÁRIO

Junta de Referência ou Junta Fria (Compensação da Junta Fria)

Como já foi visto a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico, é função da diferença detemperatura entre as duas junções. Desta maneira o termopar não mede atemperatura real na junção de medição, e sim a diferença entre esta junção (medição)e a outra tomada como referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecerexatamente a temperatura da junta de referência e procurar mantê-la constante a fimde facilitar as leituras posteriores.

Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência:-

1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio,onde a temperatura é constante e próxima à 0ºC .Como as tabelas de F.E.M.fornecidas normalmente são referidas à 0ºC, este método é bastante cômodo, poispossibilita a leitura direta da temperatura na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M.gerada no circuito.

Este método é utilizado em laboratório ou na indústria em alguns casos especiais.Evidentemente este processo não é muito prático, quando se necessita supervisionar atemperatura desejada por tempo bastante prolongado, devido a necessidade dareposição contínua do gelo na junta de referência.


SENAI 87

A(+)

B(-)T1

ÁGUA + GELO0 Co

COBRE/COBRE

T r =0 Co

EAB

EAB = E - ET1 Tr

EAB = E - 0T1

EAB= E T1

Junta de Referência a 0ºC

2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura écontrolada por um sistema termostático. Este possui a vantagem de ser prático, sendoporém de precisão inferior ao do método precedente, salvo raras exceções.

Evidentemente a F.E.M. neste processo é inferior ao sistema de junta de referência a0ºC tendo em vista que a temperatura neste caso, é de cerca de 60ºC, devendo-se dara devida correção no caso de usar a tabela com a junta de referência em outratemperatura (0ºC ou 20ºC).

3) Hoje dispositivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamenteuma temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta dereferência ou temperatura ambiente. Nestes instrumentos encontra-se um sensor detemperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, termistor, diodo,transistor ou mesmo circuito integrado que mede continuamente a temperaturaambiente e suas variações, adicionando ao sinal que chega do termosensor uma mVcorrespondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0ºC.

Exemplo de compensação

A(+)

B(-)

T1mVE

25 Co100 Co

E 1

TERMOPAR TIPO K A 100 C JUNTA DE MEDIÇÃO 25 C

E = E100 - E25E = 4,095 - 1,000E = 3,095 mV

o o


SENAI88

Se não existisse a compensação, o sinal de 3,095mV seria transformado em indicaçãode temperatura pelo instrumento e corresponderia a aproximadamente 76ºC, nãocorrespondendo ao valor da temperatura existente na junta de medição.

No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperaturaambiente, este gera um sinal como se fosse um outro termopar.E1 = E25-E0E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação)

O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória dosinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperaturana qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperaturaambiente).

Etotal = E - E1

Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mVEtotal = 4,095mV 100ºC

A indicação depois da compensação será de 100ºC.

Termopares - Tipos e Qualidades Requeridas

Tipos de TermoparesApesar de em princípio, qualquer metal prestar na construção de termopares, existemalguns tipos já padronizados na indústria.A seguir mostramos os tipos mais usados nas indústrias:

Tipo T - Termopares de Cobre ConstantanComposição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-)O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.Características: Resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados paramedições de temperaturas abaixo de zero. É resistente a atmosferas oxidantes(excesso de Oxigênio), redutoras (rica em Hidrogênio, monóxido de Carbono), inertes(neutras), na faixa de -200 a 350ºC.Faixa de trabalho: - -200 a 350 ºC.Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0ºC,encontradas em sistemas de refrigeração, fábrica de O2 etc..


SENAI 89

Identificação da polaridade:Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.

Tipo J - Termopares de Ferro - ConstantanComposição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-)O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan.

Características:Adequados para uso no vácuo, atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de540ºC, a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteçãopara prolongar a vida útil do elemento.Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0ºC, deve-se evitar quando houverpossibilidade de condensação, corroendo o ferro e possibilitando a quebra do fio deferro.

Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC. Ouso em temperaturas abaixo de zero não é recomendado, devido à rápida oxidação equebra do elemento de ferro tornando seu uso em temperaturas negativas menor queo tipo T Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, otipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente.Aplicação:Indústrias em geral até 750ºC.

Identificação da polaridade:Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não.

Tipo E - Termopares de Cromel ConstantanComposição:Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-)O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o fionegativo Cobre Níquel como Constantan.

Características:Podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras,alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdemsuas características termoelétricas. Adequado para o uso em temperaturas abaixo dezero, desde que não sujeito a corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta a maior


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geração mV/ºC (potência termoelétrica) do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura.

Aplicação:Uso geral até 900ºC.

Identificação da polaridade:O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-).

Tipo K - Termopares de Cromel AlumelComposição:Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-).O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativoCromo-Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês eSilício.

Características:São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range detrabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por issosão largamente usados em temperaturas acima de 540ºC.Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.Não devem ser utilizados em:

1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora.

2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugeme quebra dos elementos.

3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivopode vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibração).

4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidaçãoverde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, comopor exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e nãoventilado.

O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através douso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro


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modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qualproporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ouelemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplouma pequena barra de titânio.

Aplicação:É o mais utilizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até1200ºC.

Identificação da polaridade:Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético.

Tipo N Nicrosil - NisilComposição:Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-)Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estandoinclusive normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials),NIST(Antigo NBS- National Bureau of Standards) e ABNT.

Está se apresentando como substituto do termopar tipo K. De -200 a 1200ºC possuiuma potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maiorestabilidade, excelente resistência à corrosão e maior vida útil. Resiste também ao“green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo.

Tipo S Platina Ródio-PlatinaComposição:Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)

Tipo R Platina Ródio-PlatinaComposição:Platina 97% - Ródio 13% (+) / Platina (-)

Características:São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range detrabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de grão,podendo resultar em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fiossusceptíveis à contaminação, causando redução da F.E.M. gerada.


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Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródiodo elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estesefeitos tendem a causar heterogeneidades que influenciam na curva característica dosensor.

Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ouatmosferas com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetorese isoladores cerâmicos de alumina e quando se usa tubo de proteção de Platina(tubete) que por ser do mesmo material, não contamina os fios e dá proteçãonecessária aos elementos.

Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizadoscomo sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre otipo R e S está na diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinalaproximadamente 11% maior que o tipo S.

Aplicação:Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigida grande precisão comoindústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc.

Identificação da polaridade:Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fiode platina (-).

Tipo B - Platina-Ródio / Platina-RódioComposição:Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)

Características:Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado paracurtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as quecontem vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como os tipos R eS. O tipo B possui maior resistência mecânica que os tipos R e S.Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quasenulo.Não necessita de cabo compensado para sua interligação. São utilizados cabos decobre comum (até 50ºC).


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Aplicação:Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas.

Identificação da polaridade:Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-).

Termopares novosCom o desenvolvimento de novos processos industriais ao longo do tempo, novostipos de termopares foram desenvolvidos para atender condições que os termoparesque foram vistos até agora não atendiam.Muitos destes termopares ainda não estão normalizados e também não sãoencontrados no brasil.

Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-)Para uso contínuo até 1800 1850ºC, substituindo o tipo B. Não é recomendado paraatmosferas redutoras.

Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-)Podem se usados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo, não recomendadopara atmosferas redutoras ou oxidantes.

Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas demetais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosfera oxidante, mas nãoem atmosferas redutoras ou vácuo.

Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)Ainda não normalizado, denominado termopar tipo C. Pode ser utilizado continuamenteaté 2300ºC e em curtos períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de gás inerte ouhidrogênio. Não recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é emreatores nucleares.Existem algumas variações na composição das ligas, por exemplo:

Tungstênio (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)Tipo G (não oficial)

Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-)


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Tipo D (não oficial)

Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-)Usado em temperaturas criogênicas de -268ºC até 15ºC

Outros tipos de termoparesTungstênio - Molibidênio.Faixa de temperatura 0 à 2.000ºC.

Tungstênio - Iridium.Faixa de temperatura 0 à 200ºC.

Grafite - Carbureto de Boro.Faixa de temperatura 0 à 2500ºC.

Principais Qualidades Requeridas por um TermoparPara corresponder às exigências de um serviço tipo industrial, os termopares devempossuir as seguintes características:

a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura demaneira a ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construçãosimples e robusta. A faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas detrabalho normal vai de 10 a 50mV.

b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de sercalibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter esta calibraçãomantendo-a por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares sãoconstruídos para trabalhar em conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré-calibradas. A intercambialidade entre dois termopares do mesmo material é a principalrazão do seu uso em grande escala na indústria.

c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade).Um termopar deve ser física e quimicamente resistente de maneira a possuir umalonga vida, e mais ainda exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar umaF.E.M. constante.


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d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade).É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura mais linear possíveldevido aos seguintes motivos:

- Facilidade de construção e leitura de escala e gráficos.- Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência.- Adequabilidade do uso em indicadores digitais.

Termopares de classe especialExistem duas classes de precisão para termopares , a classe standard que é a maiscomum e utilizada e utilizada e a classe especial também chamada de “PremiumGrade”.

Estes termopares são ,fornecidos na forma de pares casados, isto é comcaracterísticas de ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe tambémum trabalho laboratorial para adequação de lote de fios, conseguindo com isto umamelhor precisão na medição de temperatura.

Termopares Isolação MineralO desenvolvimento dos termopares isolação mineral partiu da necessidade desatisfazer as severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios destetrabalho puderam ser transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grandevariedade de aplicações devido a série de vantagens que oferecem, tais como grandeestabilidade, resistência mecânica entre outras.

O termopar isolação mineral consiste de 3 partes básicas: um ou mais pares de fiosisolados entre si por um material cerâmico compactado em uma bainha metálicaexterna. Este tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficamcompletamente isolados dos ambientes agressivos, que podem causar a completadeterioração dos termoelementos, além da grande resistência mecânica o que faz comque o termopar isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito deaplicações.

Construção do cabo isolação mineralO processo de fabricação dos termopares isolação mineral começa com ostermoelementos de diâmetros definidos, inseridos num tubo metálico e isolados entresi e o tubo por um material cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um


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processo mecânico de estiramento (trefilação), o tubo e os termoelementos sãoreduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento) e o óxido de magnésiofica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação a bainhametálica.

ISOLAÇÃOMINERAL

BAINHAMETÁLICA

BAINHAMETÁLICA

O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, demaneira que quando compactado, ocupa todos os espaços internos, isolandoeletricamente os fios entre si e a bainha além de dar alta resistência mecânica aoconjunto, proporciona boa troca térmica. Como este processo de trefilação ouestiramento (redução do diâmetro e aumento do comprimento proporcionalmente), criatensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar termicamente oconjunto.

Este tratamento térmico alivia estas tensões e recoloca o termopar em sua curvacaracterística; obtendo assim um produto final na forma de cabos compactados, muitoreduzidos em seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porémmantendo proporcionalmente as dimensões e isolação da forma primitiva.

Além do óxido de magnésio, usa-se também como material isolante a alumina, óxidode berílio e óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível comos termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve sertomada com a pureza química e metalúrgica dos componentes envolvidos nafabricação do termopar isolação mineral.

Isolação Elétrica do Cabo Isolação MineralDevido a tendência natural do óxido de magnésio em absorver umidade (higroscópico)e outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolaçãoelétrica mínima admitida entre os condutores e bainha é de no mínimo 100mΩ em


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temperatura ambiente (20ºC). Várias precauções devem ser mantidas para afabricação do termopar isolação mineral, tais como:

- Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamentesele a ponta aberta com resina, depois de aquecê-la para retirar a umidade.- O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38ºC e 25%de umidade relativa do ar).

Vantagens do Termopar Isolação Mineral

Estabilidade na F.E.M.Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos deambientes agressivos que normalmente causam oxidação e envelhecimento dostermopares.

Resposta RápidaO pequeno volume e alta condutividade térmica do óxido de magnésio, promovem umarápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

Grande Resistência Mecânica e FlexibilidadeDevido a alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica mantendoos termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado,achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" semqualquer perdas de suas propriedades termoelétricas.

Facilidade de InstalaçãoA dimensão reduzida, a grande maleabilidade e a alta resistência mecânica do caboisolação mineral, asseguram uma facilidade de instalação mesmo em locais de difícilacesso.

Resistência a Corrosão


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Os termopares isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capasmetálicas, para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo,qualquer que seja o termopar.

Resistência de Isolação (a frio)A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100MW (a20ºC) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer tipo de ambiente corrosivo, emqualquer condição de umidade.Valores segundo norma ASTM E-608/84.

Blindagem EletrostáticaA bainha metálica devidamente aterrada, oferece excelente blindagem contrainterferências eletrostáticas (ruídos).

Características TécnicasPara a perfeita seleção de um termopar de isolação mineral, devem ser levadas emconsideração todas as possíveis características e normas exigidas pelo processo.

Tipos e Números de SensoresOs termopares isolação mineral podem ser dos tipos T, E, J e K, podem ser simples (1par de fios), duplo (2 pares de fios) ou mesmo até triplo (6 termoelementos dentro deuma única bainha).Obs: Existem termopares isolação mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolaçãopode ser de óxido de magnésio, óxido de berílio, alumina e o material da bainha demolibdênio, tântalo ou titânio. A escolha destes materiais vai depender da temperaturae do meio em que for colocado o termopar, mas sua aplicação é muito pequena.

Características da Bainha MetálicaA escolha do material da bainha é fundamental para a vida útil do termopar isolaçãomineral, pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo, otermoelemento também resistirá.

Tipos de junções de MediçõesPodemos classificar os termopares isolação mineral com relação a posição da junçãode medição em relação à bainha metálica, em três tipos:


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a) Junção Exposta: neste tipo de montagem, parte da bainha e da isolação sãoremovidos, expondo os termoelementos ao ambiente.Tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grandesensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta comodesvantagem o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com oambiente agressivo, altas temperaturas e pressões.

b) Junção Aterrada: neste, os termoelementos e a bainha são soldados juntos paraformar a junção de medição. Assim os fios são aterrados na bainha.Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que a junçãoexposta, mas ainda sim menor que a junção isolada; podendo ser usado em ambientesagressivos devido a isolação dos termoelementos.Não é recomendável para ambientes ruidosos devido à captação destes ruídos,podendo transmití-los para o instrumento indicador gerando erros e instabilidade naleitura.

c) Junção Isolada: \e quando a junção de medição é isolada eletricamente da bainha.Este tipo de montagem é o mais utilizado.Suas características são:

1. Um tempo de resposta maior que as montagens anteriores2. Os termoelementos ficam totalmente protegidos do meio externo garantindo maiorvida útil e podendo ser usado em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendoisolado da bainha, fica mais imune a interferências eletrostáticas.

Aplicações do Termopar Isolação MineralAs vantagens dos termopares isolação mineral permitem sua utilização em númeroilimitado de processos industriais, seja na indústria cerâmica, ferro e aço, química epetroquímica, papel e celulose, alimentícia, cimenteira, vidreira, de eletricidade,automotiva, de eletrodoméstico, nuclear, aeronáutica, têxtil e muitas outras.O termopar isolação mineral também se aplica em laboratórios de pesquisasexperimentais para estudos em arco plasma, feixe de elétrons, laser e outrosexperimentos físicos.

Proteção dos Termopares

Tubo de proteção


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Sua principal função é proteger os termopares do ambiente de trabalho aumentando asua durabilidade. Não são indicados para áreas onde se necessita a vedação. Paraespecificar um tubo é necessário levar em consideração todas as condições de uso dotermopar,como temperatura, atmosfera do processo, resistência mecânica, pressão,tipos de fluido em contato, velocidade de resposta, etc.

Das diversas condições do processo que os termopares devem ser protegidos está aproteção contra os metais (sólido, líquido e vapor), gases e fumos de combustão,enxofre, óxidos metálicos, eletrólitos e outras diversas substâncias que causariam adegradação e perda da calibração do sensor.Os tubos de proteção estão divididos em metálicos e cerâmicos.

Tubos metálicos: (com ou sem costura)O tubo com costura é construído de uma chapa enrolada e soldada longitudinalmente(costurada) e depois polida para dar acabamento finalOs tubos sem costura são construídos através de processo mecânico (extrudados)ficando sem soldas em sua extensão.A conexão do tubo pode ser por rosca, flange ou mesmo soldada. Lembrando que otubo de proteção não é designado para dar estanqueidade (vedação) ao processo esim proteção ao elemento sensor. Os materiais mais utilizados nos tubos são:Ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável (304, 310, 316, 321), aço cromo 446, alloy600, hastelloy, monel entre outros.

Características dos materiais de proteção metálicos

Aço carbonoTemperatura máxima de utilização: 550ºC.Aplicação: uso geral, resistência à corrosão limitada, não pode ser usado emambientes redutores e oxidantes continuamente.

Aço inox 304Temperatura máxima de utilização: 900ºC.Aplicação: Largamente usado como material de proteção em baixas temperaturas,resistente à corrosão, não recomendável para uso em atmosferas sulfurosas ou comchamas redutoras.


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Aço inox 310Temperatura máxima de utilização: 1100ºC.Aplicação: Elevada resistência à corrosão em altas temperaturas. Boa resistência emambientes redutores, sulfurosos e carbonizantes e resistência mecânica superior ao304.

Aço inox 316Temperatura máxima de utilização: 900ºC.Aplicação: Melhor resistência ao calor, álcalis e ácidos que o 304. Pode ser usado napresença de componentes sulfúricos.

Tubos de proteção cerâmicos:São utilizados normalmente em processos que envolvem temperaturas superiores a1200ºC onde ligas metálicas não resistiriam por muito tempo.Suas vantagens são a resistência a altas temperaturas, neutralidade à reaçõesquímicas, boa resistência a abrasão; porém possui baixa resistência mecânica,sensibilidade a choques térmicos, porosidade em elevadas temperaturas.

Os materiais cerâmicos mais usados são a alumina, quartzo e carbureto de Silício.Existem também tubos metálicos/cerâmicos (cermets), são combinações de metais eóxidos metálicos, que após receber tratamento tornam-se tubos de alta resistênciamecânica, resistentes a corrosão e choques térmicos.Características dos materiais de proteção cerâmicos

Poço termométricoPossui a mesma função do tubo de proteção, porém a sua principal característica éque ele possui estanqueidade, isto é, veda o processo não permitindo vazamentos,perda de pressão e contaminações. São usados onde as condições de processorequisitam segurança em altas temperaturas e pressões, fluidos muito corrosivos,vibrações e alta velocidade de fluxo.


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TUBO DEPROTEÇÃO

CABEÇOTEDE LIGAÇÃO TAMPA

Diferença básica em relação aos tubos de proteção é a sua construção, já que osmateriais utilizados são os mesmos. Os poços são feitos aa partir de uma barra maciçausinada, executando um furo interno longitudinal mantendo-se assim a espessura daparede de acordo com as especificações pré-determinadas, proporcionando aoconjunto final resistência mecânica à pressão e deformação superiores aos tubosmetálicos.

A fixação é feita por rosca externa, solda, flange ou outros meios de fixação hermética.Isto elimina a parada e esvaziamento do processo para troca ou manutenção doelemento sensor. Um problema muito perigoso em que os poços estão sujeitos é oefeito da vibração.

É importante que ele possua rigidez mecânica, pois o fluido de processo quando atritano poço, forma uma turbulência que possui uma frequência definida na relação entre odiâmetro do poço e a velocidade do fluido.

Se o poço entrar em ressonância durante a turbulência, ele tende a quebrar-se,perdendo o poço, contaminando o processo, pode haver transbordo de fluido e oelemento será afetado. Os poços com haste cônica são os que apresentam melhoresresultados frente ao problema de vibração, proporcionam maior rigidez mecânicamantendo a sensibilidade em relação aos poços de haste reta ou paralela.

Todos os poços termométricos passam por uma série de testes para verificar suaintegridade e garantir a vedação do processo. São feitos testes utilizando líquidospenetrantes, pressão hidrostática, ultra-som e raios X. O conjunto termopar, tubo de


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proteção e cabeçote de ligação recebe vulgarmente o nome de "Termopar" na falta deum nome apropriado ao conjunto.

Fios e cabos de Extensão e de Compensação

Os fios utilizados normalmente na confecção de termopares, são geralmentedispendiosos devido ao custo da matéria prima (platina, ródio, cromo e níquel) utilizadae ao critério na composição das diversas ligas. Geralmente, não é possível manter ajunta de referência junto a ponto de medição, normalmente nas instalações industriais,devido às condições do local de medição serem inadequadas.

Fios são condutores formados por um eixo sólido e cabos são condutores formadospor um feixe de condutores de menor diâmetro.

Fios e cabos de extensãoSão condutores formados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam,apresentando a mesma curva de F.E.M. por temperatura. Apresentam custo inferior,pois sua composição química não é tão homogênea quanto a do termopar, limitandosua exposição a temperaturas altas como do termopar.

Fios e cabos de compensaçãoSão fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, mas tambémapresentam a mesma curva F.E.M.x temperatura dos termopares. Usadosprincipalmente com termopares nobres tipos (R e S), pois é economicamente inviávelconstruir fios de extensão de Platina. Os fios de compensação são fabricadosnormalmente sob a forma de um cabo de dois condutores.

Os dois condutores são isolados individualmente recebendo posteriormente umaisolação externa comum podendo em alguns casos possuir uma blindagem metálicaexterna (shield). Os materiais mais empregados na isolação são:borracha, PVC, fibra de vidro, amianto, silicone e teflon.

Ligação dos Fios de CompensaçãoApesar da aparente facilidade da ligação dos fios de compensação, esta operaçãopode trazer surpresas para o profissional despreparado. O motivo reside no fato denão haver uma padronização dos códigos de cores dos fios de compensação.


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É importante que se os fios de compensação forem ligados invertidos a FEM resultanteirá depender das duas temperaturas nos extremos dos fios de compensação. Quantomaior for a diferença entre as temperaturas deste dois pontos, maior será o erro. Nocaso de serem iguais, o erro será nulo (metal intermediário).

Instrumentação

Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” 105

CABOS DE EXTENSÃO E COMPENSAÇÃO PARA TERMOPARESTipo de

TermoparTipo do

CaboMaterial dosCondutores

Norma Americana ANSIMC 96.1

Norma Alemã DIN 43714 Norma JaponesaJISC 1610/81

+ - cabo + - cabo + - cabo + -

T extensão cobre cobre-

níquel

azul azul vermelho marrom vermelho marrom marrom vermelho branco

J extensão ferro cobre-

níquel

preto branco vermelho azul vermelho azul amarelo vermelho branco

E extensão níquel -

cromo

cobre-

níquel

roxo roxo vermelho preto vermelho preto roxo vermelho branco

K extensão níquel-

cromo

níquel-

alumínio

amarelo amarelo vermelho verde vermelho verde azul vermelho branco

K compensação ferro níquel-

cobre

- - - verde vermelho verde azul vermelho branco

S compensação cobre cobre-

níquel

verde preto vermelho branco vermelho branco preto vermelho branco

R compensação cobre cobre-

níquel

verde preto vermelho branco vermelho branco preto vermelho branco

B cabo comum cobre cobre cinza cinza vermelho cinza vermelho cinza cinza vermelho branco

N extensão níquel-

cromo-

silício

níquel-

silício

laranja laranja vermelho - - - - - -

Instrumentação

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Erros de Ligação de Termopares

Usando fios de cobreGeralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumentoencontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho estejademasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura .Nestas circunstânciasdeve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através defios de extensão ou compensação.

Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão osterminais do termopar e o registrador, estejam a mesma temperatura de medição.

Vejamos o que acontece quando esta norma não é obedecida.

Uma solução simples é que normalmente é usada na prática, será a inserção de fiosde compensação entre o cabeçote e o registrador . Estes fios de compensação emsíntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda daFEM que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperaturaentre o cabeçote e o registrador.

Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usamos um fiocompensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Instrumentação

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Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela , até oregistrador, são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam à FEMuma parcela igual a 0,57 mV, fazendo assim com que chegue ao registrador uma FEMefetiva de 22,26 mV. Este valor corresponderá a temperatura real dentro do forno (538°C ). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de compensação, alémde terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são maisresistentes.

Inversão simplesConforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos.

Assume-se que o forno esteja a 538 °C, o cabeçote a 38 °C e o registrador a 24 °C.Devido a diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada umaFEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado noborne negativo do registrador e vice- versa. Isto fará com que a FEM produzida aolongo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática doregistrador. Isto fará com que o registrador indique uma temperatura negativa.

Instrumentação

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Inversão duplaNo caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, istoacontece com freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comumpensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porémisto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar umaligação correta.


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Medição de vazão

Medição de Vazão

A vazão de um fluido é a quantidade de material que flui por um determinado local naunidade do tempo. Pode-se medir a vazão instantânea ou a vazão média do materialque está escoando, podendo-se ainda estabelecer as condições de pressão etemperatura em que a medição da vazão foi feita.

Vazão em Volume (Q)A vazão em volume é dada pela relação entre o volume escoado V e o tempo t queesse volume levou para escoar:

Q = V / t

A vazão que flui por um conduto de área de seção transversal A faz com que umapartícula do fluido percorra uma distância h entre os pontos a e b do conduto numdado tempo t, conforme a figura abaixo:

A velocidade de escoamento v do fluido é dada por:

a b

h

Q vA


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v = h / t

No mesmo tempo t que a partícula de fluido levou para se deslocar do ponto a para oponto b, o volume V do fluido que passou pelo ponto a preenche toda a parte doconduto compreendida entre os pontos a e b e é dado por:

V = A.h

fazendo t = h / v, temos:

Q = V / t ; Q = (A.h) / (h / v) ; então Q = A.v , ou seja, a vazão em volume é igualao produto da área de seção transversal do conduto pela velocidade de deslocamentodo fluido dentro desse conduto. É importante notar que essa equação não é válidapara vazões em condutos ou tubulações parcialmente cheias.

Vazão em Massa (W)A vazão em massa é dada pela relação entre a massa escoada m e o tempo t queessa massa levou para escoar:

W = m / t

Como a massa específica ρ é a relação entre a massa m e o volume V, temos:

ρ = m / V e m = ρ .V ; então W = ρ.V / t ; como V / t = Q, temos:

W = ρ.Q


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Conceitos Básicos

Regimes de escoamento de fluidos em tubulações

Regime Laminar e Regime TurbulentoO escoamento de um fluido numa tubulação pode ser caracterizado por um dosseguintes regimes: o laminar e o turbulento.

A corrente laminar se caracteriza por um escoamento em camadas planas ouconcêntricas, dependendo da forma do canal ou do tubo, sem passagem daspartículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, paradeterminada vazão.

A corrente turbulenta, ao contrário. é caracterizada por uma mistura intensa do líquidoe oscilações de velocidades e pressões. O movimento das partículas é desordenado esuas trajetórias têm geralmente formas complicadas .A experiência conhecidadestinada a evidenciar os dois regimes de escoamento é mostrada na figura abaixo. Aum recipiente com água. é ligado um tubo de vidro terminado por uma torneira. Umoutro recipiente cheio de tinta permite a injeção de um pequeno filete de tinta no centrodo tubo de vidro.

Ao se abrir um pouco a torneira, observa-se que o filete de tinta não se mistura à água,caracterizando o regime laminar. Aumentando gradativamente a abertura da torneirapercebe-se que, a uma determinada vazão, o filete de tinta começa a se misturar com


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a água em redemoinhos característicos do regime turbulento. É possível voltar aoregime laminar diminuindo a abertura da torneira.

A mudança de regime de escoamento ocorre a uma velocidade chamada velocidadecrítica vcr, diretamente proporcional à viscosidade cinemática ν e inversamenteproporcional ao diâmetro D do tubo, ou seja:

vcr = Kc ν/D

Número de Reynolds (Re)O coeficiente adimensional de proporcionalidade Kc tem um significado universal, istoé, é o mesmo para todos os líquidos e gases e qualquer diâmetro de tubo. Isto significaque a mudança de regime de escoamento ocorre quando a relação entre a velocidade,o diâmetro e a viscosidade apresentam um valor igual a:

Kc = vcr D / ν

Este número adimensional chama-se número critico de Reynolds e se anota, de modogeral, da seguinte forma:

Re cr = vcr D / ν

Considerando que a viscosidade cinemática ν é igual a razão entre a viscosidadeabsoluta µ e a massa específica ρ, temos que:

Re cr = vcr D ρ / µ

O número de Reynolds crítico foi determinado experimentalmente e vale 2300.O número de Reynolds de uma instalação é dado por:

Re = v D ρ / µ onde v é a velocidade de escoamento.

Se a instalação apresentar Re < 2300, o escoamento será laminar; se Re > 4000, oescoamento será turbulento; se 2300 < Re < 4000, então o escoamento será umatransição entre o regime laminar e o regime turbulento.

Distribuição de velocidadesNas medições de vazões na indústria o regime de escoamento na maioria dos casos é


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turbulento. O regime turbulento é caracterizado por um perfil de velocidades maisuniforme que o perfil correspondente ao regime laminar.

A velocidade média vm do fluido escoando é dada por:

vm = Q / A onde Q é a vazão e A é a área de seção transversal da tubulação

Desta forma a velocidade média não é a média aritmética das velocidades tomadasem pontos igualmente distribuídos de um diâmetro da tubulação, mas sim uma médiaponderada das velocidades levando em consideração as seções do tubo que sãopercorridas pelas velocidades locais.

A relação velocidade média / velocidade do centro ( vm / vc ) é aproximadamente 0,5em escoamentos laminares e 0,8 em escoamentos turbulentos.

Tipos de Medidores de Vazão

Medidores de Deslocamento PositivoMedidores de deslocamento positivo são medidores que possuem uma relação bemdefinida entre o volume de produto que passa pelo medidor e o acionamento de umdispositivo de medição. Para cada unidade de volume que atravessa o medidor odispositivo de medição é acionado um certo número de vezes. Esse tipo de medidorapresenta um fator que permite determinar a vazão em volume.

Por exemplo, um medidor de engrenagens tem um fator de 20 cm³ para cada voltacompleta que um conjunto de engrenagens dá quando essas engrenagens sãomovidas pelo fluido que atravessa o medidor. Se o medidor contabilizar 10 voltas em1 minuto, a vazão do fluido será de 200 cm³/min.


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Alguns tipos de Medidores de Deslocamento Positivo

Medidor de Engrenagens Ovais

O fluido circula entre as engrenagens e as paredes da câmara de medição.

Medidor de Lóbulos

O fluido circula entre os lóbulos e as paredes da câmara de medição.

Disco de Nutação


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Medidores Deprimogênios

Medidores deprimogênios são aqueles compostos por um elemento primário instaladona tubulação que gera uma perda de pressão no fluido escoando pela tubulação. Adiferença entre as pressões estáticas antes e após o elemento primário permitedeterminar a vazão em massa ou em volume.

Seja uma restrição qualquer, como por exemplo na figura abaixo:

Pelo Teorema de Bernoulli:

Z1 + p1 / γ + (v1)² / 2g = Z2 + p2 / γ + (v2)² / 2g

considerando que a tubulação não está inclinada, podemos dizer que Z1 = Z2 eportanto:

Q1

v1

Q2v2

A1

A2

12


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p1 / γ + (v1)² / 2g = p2 / γ + (v2)² / 2g

p1 - p2 = (v2)² - (v1)² γ 2g

Se o fluido for incompressível,

V1 . A1 = V2 . A2 (equação da continuidade)

V2 = V1 . A1 / A2

fazendo β = D2 / D1 temos que

β2 = (D2 / D1)2 ou β2 = A2 / A1

substituindo V2 na equação :

p1 - p2 = (v1 / β²)² - (v1)² γ 2g

isolando v1:

v1 2g.1

. .1

1. p1 p24

4=

−−

γβ

β

fazendo E =

−

11 4β

v1 2g.1

. . . p1 p22= −γ

β E

como Q1 = v1. A1

Q1 2g.1

. . . p1 p22= −A E1. γβ

que é a equação geral para os medidoresdeprimogênios

Desse modo, a vazão pode ser calculada a partir da diferença entre as pressões antesda restrição e depois da restrição.


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A equação anterior é puramente teórica, principalmente pelo fato de considerar que ofluido é incompressível e que, nas seções 1 e 2, as velocidades são uniformementedistribuídas e respectivamente iguais a v1 e v2. Esta equação pode ser transformadaadequadamente para uso prático, se incluirmos um coeficiente de correção que leveem consideração todos os elementos de um escoamento real.

Este coeficiente chama-se coeficiente de descarga C:C = _vazão real__ de modo que Qreal = C.Qteórica

vazão teóricaou

Q1 2g.1

. . . p1 p22= −A C E1. .γ

β

Os valores de C são resultados experimentais para cada tipo elemento deprimogênio esistema de tomadas de pressão. O coeficiente de descarga varia em função dodiâmetro da tubulação, do número de Reynolds e da relação entre os diâmetros β.

Os medidores deprimogênios necessitam basicamente de dois dispositivos:

a) Um elemento primário capaz de uma pressão diferencial no fluido, proporcional aoquadrado da vazão;

b) Um medidor (geralmente transmissor) de pressão diferencial capaz de medir essapressão.

Podem ser usados instrumentos tais como: manômetros em U, de foles opostos, dediafragmas, ou transmissores por equilíbrio de forças, sejam estes eletrônicos oupneumáticos, etc. Na figura a seguir, podemos observar a variação de pressão dofluido ao longo da tubulação, nas proximidades de um elemento deprimogênioconhecido como placa de orifício.


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FLUXO

OBSTÁCULO:PLACA DEORIFÍCIO

JUSANTEMONTANTEP1 P2

QUEDA DE PRESSÃOPERMANENTE

∆ P

A perda de pressão na linha é causada principalmente pelo aquecimento e ruído quedissipam parte da energia inicial da linha, isto é, à montante.

Os elementos primários de medição de pressão diferencial mais usados são:a) Placas de Orifício;b) Tubos de Venturi;c) Tubo Pitot;d) Bocais.

Placas de OrifícioO tipo mais comum consiste numa chapa fina com um furo circular. Três tipos padrõessão conhecidos. A mais utilizada é a placa com furo circular concêntrico com a linhacentral do tubo. Do lado da entrada do fluido a borda do furo deve ser em ângulo reto edo outro lado deve se chanfrada 45º. Outro tipo de placa é a excêntrica, geralmenteusada para fluidos contendo material pesado. A placa com furo segmentado éempregada para fluidos contendo sólidos em suspensão.

ORIFÍCIOCONCÊNTRICO

(a)

ORIFÍCIOEXCÊNTRICO

(b)

ORIFÍCIOSEGMENTADO

(c)


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Tipos de placa de orifício:

a) orifício concêntrico; b) orifício excêntrico; c) orifício segmentado.

A placa é colocada entre flanges e as tomadas de pressão podem ser feitas nosflanges, nos tubos (2 1/2D e 8D, antes e depois da placa, D = diâmetro interno dotubo), ou na "vena contracta” (veia contraída), onde a tomada de alta pressão é feita.

Tipos de Tomadas para Placas de Orifício

Denominação

na literatura

inglesa

Denominação

sugerida em

português

distância

da tomada

à face

montante

distância

da tomada

à face

jusante

limitações

flange taps

tomadas em

flange

1'' 1'' a partir

da face à

jusante

0,1 ≤ β ≤ 0,75

50 mm ≤ D ≤

760 mm

(2'' ≤ D ≤ 30'')

radius taps tomadas a D e

½ D

1D

½ D à

partir da

face à

montante

0,15 ≤ β ≤

0,75

50mm ≤ D ≤

760mm

(2'' ≤ D ≤ 30'')

vena contracta

taps

tomadas em

vena contracta

½ D a 2 D depende

de β

0,1 ≤ β ≤ 0,8

50mm ≤ d ≤

760mm

(2'' ≤ D ≤ 30'')

corner taps tomadas em

canto

junto junto

0,22 ≤ β ≤ 0,8

50mm ≤ D ≤

1000mm

(2'' ≤ D ≤ 40'')


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pipe taps tomadas a

2 ½ D e 8 D

2 ½ D

8 D a partir

da face à

montante

0,2 ≤ β ≤ 0,70

50mm ≤ D ≤

300mm

(2'' ≤ D ≤ 12'')

LegendaD - diâmetro interno da tubulaçãoβ - relação entre o diâmetro interno D da tubulação e o diâmetro do orifício d da placa β = d / D

Tubo VenturiComo se vê na Fig., um tubo Venturi combina, em uma só unidade, umestrangulamento na seção do tubo entre duas ligações para a medida da pressãodiferencial. Consta de três partes: uma seção cônica de entrada com diâmetrodecrescente, uma seção paralela central e uma seção cônica de saída, com diâmetrocrescente. É geralmente usado na medição de líquidos com sólidos em suspensão ouquando se requer uma pequena perda de pressão na linha. A tomada de alta pressãoé colocada meio diâmetro a montante do cone de entrada e a de baixa no meio daseção central.

ALTAPRESSÃO

BAIXAPRESSÃO

SEÇÃO DAGARGANTA

SEÇÃOPRINCIPAL

Tubo PitotEste instrumento mede a diferença entre a pressão estática e a pressão total dada pelasoma da pressão estática e aquela devida a velocidade do fluido. Um tubo Pitot possuiduas aberturas para a medição das pressões, uma perpendicular ao eixo do fluxo,sendo esta a tomada de baixa pressão e a outra, com frente para o fluido, fornecendoo ponto de impacto é a tomada de alta.

A diferença entre pressão total e a pressão estática da linha nos dará a pressãodinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.


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PRESSÃOESTÁTICA

PRESSÃODINÂNICA

BocaisSituada na tubulação com duas tomadas, permite a medição de vazões 60%superiores as de placa de orifício nas mesmas condições de serviço.

A sua perda de carga é 30% a 80% da pressão diferencial. Sua principal aplicação éna medição de vapor com alta velocidade e fluidos que arrastam sólidos em pequenaquantidade.

TOMADAS DE PRESSÃO

Medidor de Área Variável

Um rotâmetro possui um flutuador colocado dentro de um tubo de diâmetro variável,geralmente de vidro. O lado do diâmetro menor está na parte inferior e é a entrada dofluido. O flutuador alcança uma posição de equilíbrio que é proporcional aoescoamento quando a força ascendente do fluido, passando pelo espaço anular, torna-se igual ao peso (força descendente) do flutuador. A vazão pode ser lida diretamenteem uma escala graduada.


SENAI122

LIMITADOR DOFLUTUADOR

CONEXÃO DESAÍDA

UNIÃO DE SAÍDA

CAIXA DE VEDAÇÃOSELA O TUBO DE VIDROCOM A UNIÃO DE METAL

MÁXIMO FLUXO É OBTIDONA PARTE SUPERIOR DO

TUBO

TUBO AFUNILADO DEVIDRO

FLUTUADOR DE MEDIDA

MÍNIMO FLUXO É OBTIDONA PARTE INFERIOR DO

TUBO

LIMITADOR DOFLUTUADOR

CONEXÃO DEENTRADA

UNIÃO DEENTRADA

Existem vários tipos de flutuadores. Por exemplo:

CARRETELESFÉRICOLIVRE

PRUMO NÃOGUIADO

PRUMOGUIADO

PONTODE LEITURA

PONTODE LEITURA PONTO

DE LEITURA

PONTODE LEITURA

Outros Medidores de Vazão

Para outros fins mais particulares são usados vários instrumentos entre os quaistemos:• medidores de impacto;• de turbina;• magnéticos;• ultra-sônicos;• de vórtice;


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• térmicos

Medidor de Impacto ("Target Meter")Nesse dispositivo do disco ("Target") colocado dentro da tubulação sofre um impactoproporcional a velocidade de deslocamento do fluido. A pressão do fluido sobre o discomove uma haste a ele presa que por sua vez, aciona um transmissor convencional porequilíbrio de forças, que envia um sinal (de 3 a 15 psig ou 4 a 20 mA) proporcional aoquadrado da vazão.

FLUXO

ALVO

SELO DE DIAFRAGMA

MOVIMENTO

Medidores de turbinaA turbina é um instrumento de excelente precisão mas de confiabilidade limitada. Aturbina propriamente dita, peça móvel principal, está numa seção de passagem dofluido. Este pode ser gás ou líquido, mas precisa ser limpo. Os sólidos em suspensãopodem interferir na livre rotação da turbina.

Existem dois tipos de turbina: as mecânicas e as eletrônicas. Nas turbinas mecânicasexiste a transmissão de movimento através da utilização de engrenagens de precisão.Nas turbinas eletrônicas são usados pick-off , sensores de passagem das paletas deturbinas.


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SUPORTE

ROTOR

VAZÃO

MagnéticosConsiste na aplicação da lei de FARADAY, em que o condutor móvel é o próprio fluidoque, colocado num campo magnético, provoca a geração de uma diferença depotencial proporcional à velocidade média do fluido. A grande limitação de seu uso éque o fluido medido precisa ser líquido e ligeiramente condutor de eletricidade, o queelimina os hidrocarbonetos.

CAMPO MAGNÉTICOELETRODOS

Ultra-sônicosPodem ser intrusivos, isto é, o feixe de ultra-som é emitido e recebido através de furosna tubulação, podem ser também não intrusivos fazendo-se a medição porauscultação.

Nos medidores de tempo de trânsito, o medidor não pode conter partículas estranhas.Um transdutor emissor/detetor de ultra-som é fixado de cada lado do tubo, formandocom o eixo da tubulação um certo ângulo. Os transdutores transmitem e recebem,alternativamente, um trem de ondas ultra-sônicas de pequena duração.


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O tempo de duração de transmissão é levemente inferior quando a emissão éorientada para jusante, e levemente superior quando orientada para montante. Asdiferenças de tempo de trânsito servem de base para a medição de velocidade médiado fluido na seção considerada.

Nos medidores de efeito DOPPLER, são impurezas, partículas ou descontinuidades dofluido que refletem as ondas sonoras. Os transdutores emissores projetam um feixecontínuo de ultra-som na faixa de centenas de hertz. Os ultra-sons refletidos porpartículas veiculadas pelo fluido têm sua freqüência alterada proporcionalmente àcomponente da velocidade das partículas na direção do feixe.A influência da concentração de partículas do fluido medido afeta sobremaneira amedição de vazão. O resultado é uma medição de velocidade de determinada parcelada seção de escoamento, nem sempre numa relação constante com a vazão.

MEDIDOR US "TEMPO DE TRÂNSITO" MEDIDOR US EFEITO DOPPLER

Medidores de vórticesVórtices ou turbilhões aparecem quando se introduz um obstáculo ou quando seprovoca uma determinada mudança de direção no escoamento de um fluido. Nosmedidores de vórtice, uma barra de formato adequado é colocada transversalmente aotubo. A partir de uma certa velocidade, os turbilhões começarão a se formaralternadamente de cada lado da barra.

A uma determinada realização corresponde um certo número de Strouhal (S), funçãode freqüência de sucessão de dos turbilhões(f), do obstáculo (D) e da velocidade dofluido (V). Sendo S uma constante e D fixada pelas dimensões do sensor, a frequênciade sucessão dos turbilhões é diretamente proporcional à velocidade do fluido. Adetecção dos turbilhões pode ser feita por sensores térmicos, extensiométricos oueletromecânicos.


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Medidor de vazãopor efeito Coriólis

É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidadedesde indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc. e sua medição,independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade,pressão, temperatura, perfil do -fluido.

Resumidamente, um medidor Coriólis possui dois componentes: tubos de sensores demedição e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficamvibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível aolho nu. Quando um fluído qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito doCoriólis se manifesta causando uma deformação, isto é, unia torção, que é captada pormeio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.


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As forças geradas pêlos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido na suaregião de entrada (região da bobina 1) , e em oposição auxiliam o fluído na região desaída dos tubos.

O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD émontado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibraçõesdas deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.

O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos devazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas 4 a 20 mA,de freqüência (0 a 10000 Hz) e até digital RS 232 e ou RS 485. Estas saídas sãoenviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazãoinstantânea e totalizada, ou para PLC´s, SDCD´s, etc.


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Podemos encontrar o modelo com tubo reto, neste modelo, um tubo de medição oscilasobre o eixo neutro A-B sendo percorrido por um fluido com velocidade "v". Entre ospontos A-C as partículas do fluido são aceleradas de uma baixa para uma altavelocidade rotacional . A massa destas partículas aceleradas geram as forças deCoriólis (Fc) oposta a direção de rotação Entre os pontos C-B as partículas do fluidosão desaceleradas o que leva a força de Coriólis no mesmo sentido da rotação . Aforça de Coriólis (Fc) , a qual atua sobre as duas metades do tubo com direçõesopostas, é diretamente proporcional à vazão mássica . O método de detecção é omesmo do sistema anterior.



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Medidor de vazãotipo Vortex

Princípio de funcionamento

Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruirparcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices;que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado nafigura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livrosde mecânica dos fluidos.

Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia adia, como por exemplo:• Movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza;• As bandeiras flutuando ao vento;• As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostas ao

vento.


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Equações de caracterização

Assumindo que a freqüência de geração dos vórtices provocados por um obstáculocolocado verticalmente no sentido de movimento de um fluido seja "f', a velocidade dofluido seja ”V" e a dimensão do obstáculo perpendicular ao sentido do fluxo seja "d", aseguinte relação é obtida:f = St. V/d (1)St = número de Strouhal

Esta equação pode ser aplicada a um medidor vortex, quando medindo vazão em umatubulação de processo.

Adicionalmente, neste caso a seguinte expressão também é válida:

Q=A.V (2)

Onde:Q = vazão volumétricaA = área da seção da tubulação

Mediante uma simples substituição, e consideramos os parâmetros constantesagrupados em único fator, teremos:

Q=k.f (3)

Número de Strouhal É a relação entre o intervalo "L" entre cada vórtice e a dimensão"d" do anteparo perpendicular ao sentido do fluxo ou seja,

St = L/d (4)

Logo, conforme pode ser verificado nas expressões acima, se o número de Strouhalfor constante, a vazão volumétrica do fluido pode ser medida pela contagem donúmero de vórtices.

Para uma ampla faixa de número de Reynolds que define o regime de escoamento,temos que St é constante, conforme pode ser verificado no gráfico abaixo .


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Logo, para a imensa maioria das aplicações industriais, que estão situadas na faixa denúmero de Reynolds entre 2 x 104 e 7 x 106, todas as expressões anteriores sãototalmente válidas.

Adicionalmente, nesta faixa, a freqüência “f’ de geração de vórtices não é afetada porvariações na viscosidade, densidade, temperatura ou pressão do fluido”.

- Método de detecção dos vórtices

As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor devazão, baseado nos princípios anteriormente mencionados, são:


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A criação de um obstáculo gerador de vórtices (vortex shedder) que possa gerarvórtices regulares e de parâmetros totalmente estabilizados. Isto determinará aprecisão do medidor.

O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir afreqüência dos vórtices. Isto determinará os limites para as condições de operação domedidor.

c) Vortex shedder - Numerosos tipos de vortex shedder, com diferentes formas, foramsistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros depesquisa. Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenhoconsiderado ótimo.

O corte trapezoidal proporciona excelente linearidade na freqüência de geração dosvórtices, além de extrema estabilidade dos parâmetros envolvidos.

Sistema sensorVários tipos de sensores têm sido propostos, porém nenhum se mostrava totalmenteadequado para resistir às severas condições de trabalho, as quais o medidor seriasubmetido no processo. A tabela abaixo apresenta a variedade de sensores queestiveram, ou ainda estão, disponíveis no mercado.

Grandeza detectada Sistema de detecção Tipo de sensor

Troca térmica TermistorMudanças na velocidade dofluxo

Variações de freqüênciaultra-sônica

Feixe de Ultra-som

Diafragma+ElementosPiezoelétricos

Diafragma CapacitivoDetecção de PressãoDiferencial

Diafragma Indutivo

Strain-GaugeEquilíbrio de movimento

Esfera+Indutância

Deformações sobre oVortex shedder

Strain Gauge

Mudanças de Pressão

Tensão (stress) sobre oVortex shedder

Elementos Piezoelétricos


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válvulas de controle

Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: o corpo e oatuador.

O corpo é a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior oumenor passagem do fluido no seu interior, conforme a necessidade do processo. Oconjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes sub-conjuntos:

a) Corpo propriamente dito;b) Internos;c) Castelo;d) Flange inferior.

Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente, o seu conjunto do corpoformado por todos os subcomponentes acima mencionados. Em alguns tipos deválvulas, corpo e castelo formam uma só peça denominada apenas corpo; em outrosnem existe o flange inferior. Porém vamos por ora desconsiderar tais particularidades,optando por um conceito mais global, para posteriormente irmos restringindo-o amedida em que formos analisando cada tipo de válvula de controle.

Sendo o conjunto do corpo, a parte de válvula que entra em contato direto com ofluído, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluido.Trata-se portanto de um vaso de pressão e como tal deve ser considerado.

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, eportanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos decorpos.Podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos:


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a) De deslocamento linear

1) Globo convencional2) Globo três vias;3) Globo gaiola;4) Globo angular;5) Diafragma;6) Bi - partido;7) Guilhotina.

b) De deslocamento rotativo

1) Borboleta;2) Esfera;3) Obturador excêntrico.

Válvulas de deslocamento linear da haste

Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula, na qual a peça móvel vedantedescreve, um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante; enquanto queuma válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedantedescreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante.

Para cada tipo de processo ou fluido sempre temos pelo menos um tipo de válvula quesatisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideraçãoeconômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens,desvantagens e limitações para este ou aquele processo.

Analisaremos todos esses aspectos, oferecendo assim uma sólida base para o usuáriopoder selecionar a melhor válvula para a aplicação em questão.

Válvula de controle tipo globo convencional

Estamos neste item, falando sem duvida alguma, de uma das válvulas de controle maiscompleta e versátil.


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A figura mostra várias montagens da denominada válvula globo tipo sede simples. Éfabricada em diâmetros de ½” até 10” e com conexões das extremidades rosqueadas(até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes de 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs.

Válvula globo convencional tipo sede simples.

Neste tipo de válvula, o fluído no interior do corpo, passa através de um único orifício,conforme podemos notar pela figura anterior.

Na figura (a), notamos que o obturador é guiado duplamente, isto é, superior einferiormente, e ainda um fato muito importante é que para a válvula fechar, oobturador deve movimentar-se para baixo, ou seja, deve descer. “desce para fechar”ou “normalmente aberta”. Por outro lado, na figura anterior (b), vemos a mesmaválvula, só que o obturador esta invertido. Neste caso para a válvula abrir, o obturadortem que descer. Podemos notar que a única diferença entre essas duas válvulas é aposição de aberta e fechada em relação ao mesmo movimento do obturador, enquantoque a primeira o obturador ao descer fecha a válvula, a segunda abre-a em respostaao mesmo movimento do obturador. Esta é, portanto, uma válvula “desce para abrir” oumais conhecida “normalmente fechada”. Uma é inversa a outra quanto ao seufuncionamento.

Na figura (c), vemos uma outra sede simples um pouco diferente das anteriores, oobturador é guiado apenas superiormente e ao descer a válvula só pode fechar, nãoexistindo a possibilidade de montagem do obturador em posição invertida ou por baixo.Essa válvula em relação ao movimento do obturador de cima para baixo, só podefechar.


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O fato de uma válvula ser “normalmente aberta” ou “fechada” é um fator muitoimportante a ser levado em consideração na escolha da válvula. Isso significa que naposição de descanso, ou seja, sem força de atuação, a válvula pode ficarcompletamente aberta ou completamente fechada. Uma válvula “normalmente aberta”ficara totalmente aberta em caso de falta de suprimento de energia para a operação doatuador, não podendo ser escolhido para aplicações como, por exemplo, alimentaçãode uma coluna de destilação fracionária. Nesse caso a escolha certa seria uma válvula“normalmente fechada”, que ficaria totalmente fechada em caso de alguma falha nosistema de suprimento de energia. Estes aspectos de posição de segurança em casode falha serão comentados mais detalhadamente no capítulo referente aos atuadores.

As principais particularidades da válvula globo sede simples são: proporciona uma boavedação e possui obturador estaticamente não balanceado. Assim sendo podemosatingir um vazamento, quando a válvula estiver totalmente fechada de, no máximo0,01% da sua capacidade de vazão máxima.

Válvula de controle tipo globo sede dupla

A figura mostra duas montagens diferentes da válvula globo sede dupla, assimdenominada pelo fato do fluxo passar através de duas passagens ou orifícios.

Na figura (a), vemos uma válvula guiada duplamente e com obturador desce parafechar, enquanto em (b), a montagem do obturador é por baixo, tipo desce para abrir. Aválvula sede dupla é portanto de corpo reversível.

A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quaseestável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto a válvulasede simples, conforme podemos deduzir com o auxílio da figura abaixo.


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Atuação das forças dinâmicas provenientes do fluído agindo contra o obturador de umaválvula globo sede dupla

Válvula de Controle Globo 3 Vias

Trata-se de uma adaptação da válvula globo convencional para a utilização emaplicações de mistura ou separação de fluidos.


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Válvula globo de 3 vias

Na válvula tipo convergente conforme vemos pela figura (a) fluidos quaisquer eseparados entram pelas vias (2) e (3), misturando-se numa determinada e desejadaproporção saindo pela via (1) já misturados. A proporção da mistura é determinadapela posição do obturador relativa às duas sedes. Um deslocamento do obturador paracima faz diminuir a entrada de fluido por (2), aumentando simultaneamente a entradado fluido por (3). Podemos notar neste tipo de válvula um novo modo de guia dupla:superior e no anel de sede.

Na figura (b), vemos uma válvula 3 vias tipo divergente (série 906), na qual o fluidoentra pela via (1) e sai em proporções definidas pelas vias (2) e (3).Uma aplicação bastante conhecida da válvula 3 vias divergente é o de desvio de umtrocador de calor conforme vemos pelo esquema da figura a seguir.

Válvula globo de 3 vias tipo divergente


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As válvulas de 3 vias devido a sua configuração e utilização, não apresentam vedaçãocompleta, pois enquanto fecharmos um orifício o outro ficará completamente aberto.

Válvula globo tipo gaiola

Trata-se de uma válvula de concepção antiga porém totalmente renovada eaperfeiçoada nos últimos anos, fato esse que lhe possibilitou uma contínua e crescenteutilização na quase totalidade dos processos industriais. A válvula tipo gaiola deinternos substancialmente diferentes da globo convencional.O amplo sucesso deste tipo de válvula está totalmente fundamentado nos seguintesaspectos:

- facilidade da remoção das partes internas pela ausência de roscas que facilitabastante a operação na própria instalação;- alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia doobturador na gaiola, obtendo desta forma uma área de guia da ordem de 30% superiorà obtida pela guia superior e inferior da válvula globo convencional;- capacidade de vazão da ordem de 20 a 30 % maior que a obtida nas válvulas globoconvencionais;- menor peso das partes internas resultando assim uma freqüência natural maiordessas partes, o que faz com que a válvula fique menos susceptível a vibraçãohorizontal do obturador proporcionando dessa forma menos ruído de origem mecânicado que as válvulas globo duplamente guiadas;

Válvula globo tipo gaiola sede simples

Nas figuras seguintes (a) e (b) vemos dois exemplos deste tipo de válvula. O fluidoentra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola.Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de uma válvula não balanceada como aglobo convencional sede simples pois a força do líquido tendendo abrir a válvula, não ébalanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisarmos de umagrande força de atuação. Pela figura a seguir, nota-se também que não sendo umaválvula de corpo reversível com o deslocamento do obturador de cima para baixo aválvula fecha ou seja desce para fechar. Se quisermos uma ação desce para abrirteríamos que alterar de alguma forma o sentido do movimento do obturador.


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Apresenta um vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão quandototalmente fechada e conforme a especificação da norma ANSI B16.104 possui umnível de vazamento classe IV.

Válvula globo tipo gaiola sede simples

Válvula globo tipo gaiola balanceada

Esta construção á basicamente similar a anterior conforme vemos pela figura a seguir.Apenas que neste caso o obturador é balanceado dinamicamente (como acontece naválvula globo sede dupla) devido ao orifício interno no obturador, que faz com que apressão do fluido comunique-se com ambos os lados do obturador, formando-seassim um balanceamento de forças. Precisamos, portanto, de uma menor força deatuação neste caso do que no anterior sede simples. O fluido neste tipo de construçãoentra por cima, conforme uma flecha indicativa presa ao corpo da válvula. Porém, damesma forma que acontece com a globo convencional sede dupla, a válvula tipo gaiolabalanceada, não apresenta boa vedação, permitindo um vazamento de até 0,5% damáxima capacidade de vazão da válvula, e conforme a especificação normativa daANSI B15.104, possui um nível de vazamento Classe II.

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Válvula globo tipo gaiola balanceada

Válvula tipo gaiola angular sede simples

Este tipo de válvula apresenta uma configuração especial, como veremos pela figuraabaixo (a), para determinadas aplicações nas quais haja necessidade de umaautodrenagem constante do fluido, ou em aplicações com fluidos lamacentos(“slurries”). Já que possibilita uma passagem menos obstruída que os outros tipos deválvulas globo convencionais ou gaiola, ou em casos ainda devido ao “layout” datubulação, não temos possibilidade de instalação de outro tipo de válvula.Recentemente tem-se recomendado a utilização deste tipo de válvula em aplicaçõescorrosivas, já que neste tipo de construção o choque das partículas sólidas sobre aspartes internas é muito diminuído, e em aplicações sob efeito de “flashing”(vaporização do líquido na válvula).

Por tratar-se de uma válvula sede simples, apresenta todas as suas vantagens edesvantagens características, ou seja, vazamento de 0,01% da máxima capacidade devazão quando totalmente fechada e grandes forças de atuação, respectivamente.


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Válvula globo angular tipo gaiola

Válvula tipo gaiola modelo angular balanceada

Válvula similar a dada anteriormente, conforme vemos pela figura anterior (b). Oobturador é balanceado no estilo gaiola e, portanto não precisa de grandes forças deatuação. Apresenta vazamento na posição fechada de 0,5% da máxima capacidade devazão.

Válvula tipo gaiola de duplo estágio

Trata-se de uma válvula com sistema de piloto interno que possibilita sua utilização emaplicações de altas quedas de pressão, mesmo com atuadores de pequeno tamanho, epossibilita ainda uma excelente vedação.

O sistema interno de duplo estágio pode ser utilizado em corpo sede simples daválvula globo convencional, nos diâmetros de 2 até 12”, e nas válvulas tipo gaiola. Naseqüência dada na figura a seguir vemos um corpo tipo gaiola com internos de duploestágio. O seu funcionamento basicamente consiste em:


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Válvula globo tipo gaiola de duplo estágio

1) Em qualquer posição do obturador (exceto no fechamento), as forças agindo sobreo mesmo são equilibradas pela pressão de saída PS através dos orifícios “X” e “Y”da figura anterior (a) e anterior (b).

2) Quando o obturador (1) atinge a sede (7), qualquer incremento de pressão noatuador fará com que a válvula piloto (6) comprima a mola (5) fechando o orifício“Y”. O pequeno vazamento entre o obturador (1) e a gaiola (2), fará com que apressão “Pi”, agindo sobre a sede, se iguale à pressão de entrada “Pe”, forçandodesta forma o obturador no sentido da vedação como vemos pela figura anterior(c). Com a diminuição de pressão no diafragma, a mola (5) abre o piloto (6)permitindo que o fluido sobre o atuador escape através de “X” e “Y” e novamentetrazendo ao equilíbrio as pressões sobre e sob o obturador.

Válvula de controle tipo diafragmaEste tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas decontrole, é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos elíquidos com sólidos em suspensão. Uma válvula de controle tipo diafragma conformevemos na figura abaixo consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um


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encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se deslocapara provocar o fechamento da válvula.

Válvula tipo diafragma

A válvula de controle tipo diafragma ou Saunders, assim denominada por se tratar deuma patente mundial da Saunders (Inglaterra), possui como vantagem um baixo custo,total estanqueidade quando fechada já que o assento é composto; e facilidade demanutenção. Entretanto não apresenta uma boa característica de vazão para controlealém de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente estetipo de válvula seja limitada em diâmetros de até 6” para efeito de aplicações emcontrole modulado.

Uma outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma deneoprene ou teflon), a sua utilização é ilimitada pela temperatura do fluido em funçãodo material do diafragma. Possui uma vedação Classe VI.

Válvula de controle bi-partida

Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas,principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-senecessária uma freqüente inspeção ou substituição dos interno da válvula.

A válvula de controle de corpo bi-partido conforme vemos pela figura abaixo, foidesenhada para tais aplicações possibilitando uma fácil manutenção devido afacilidade de acesso aos internos. Neste tipo de válvula, o anel de sede é preso (aocontrário da globo convencional onde é rosqueado) entre as duas metades do corpo,podendo ser facilmente removida.


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Válvula tipo bi-partida

Válvula de controle tipo guilhotina

Trata-se uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose,porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingido algumas outras aplicações emindústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimento de água, etc.Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluidospastosos, tais como massa de papel.

É uma válvula de concepção simples, sem castelo conforme vemos pela figura aseguir.


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Válvula tipo guilhotina

Internos das válvulas

Normalmente costuma-se definir ou representar os internos da válvula de controlecomo o coração da mesma.

Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partesdenominadas de internos representam o papel principal da válvula de controle, ou seja,produzir uma restrição variável à passagem do fluido conforme a necessidade impostapela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão quepassa e a abertura da válvula (afastamento do obturador em relação à sede).

Esta tal relação é denominada de característica de vazão da válvula, e podemos porenquanto definí-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e oafastamento do obturador relativo ao anel sede. Este afastamento é uma fração dedeslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total daválvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador.Não fosse o bastante isso, as partes internas têm que ainda proporcionar a necessáriaestanqueidade da válvula quando totalmente fechada.


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O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e queentram em contato com o fluido de processo. Tal conjunto é formado por: obturador,anel da sede, guia do obturador, bucha de guia e gaiola (no caso das válvulas tipogaiola), conforme vemos pela figura abaixo.

Internos da válvula globo: (a) convencional; (b) gaiola

Válvulas de deslocamento rotativo da haste

Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulasdenominadas de rotativas. Basicamente, estes tipos de válvulas apresentam vantagense desvantagens. Nas vantagens podemos considerar baixo peso em relação aosoutros tipos de válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custoinicial mais baixo, etc. Dentre as vantagens citamos a limitação em diâmetro inferioresa 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas principalmente em grandes diâmetros.

Válvulas de controle tipo borboleta

É talvez a mais comum das válvulas rotativas utilizadas para controle. A válvulaborboleta, conforme vemos pela figura abaixo consiste de um corpo tipo anel circular,no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. Asede nesta válvula é a própria parede interna do corpo. Nota-se desde já uma enormesimplicidade de desenho. O seu corpo na maioria dos desenhos é sem flange ou como


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mais comumente conhecido “wafer”. Sua construção é possível em diâmetros de 2” até24”.

Válvula Tipo Borboleta

O desenho de corpo mais comum é o tipo “wafer”, sendo preso à tubulação entre parde flanges . Pelo fato do corpo não possuir flanges, não é costume especificar aválvula borboleta “wafer” pela classe de pressão conforme ANSI, como é feito nasválvulas flangeadas.

Convenciona-se especificar a válvula borboleta “wafer” para uma determinada quedamáxima de pressão quando totalmente fechada e a 60° de abertura, posição estadefinida como curso máximo para aplicações em controle modulado.

Válvula borboleta de 3 viasUma construção especial da válvula borboleta é a de 3 vias conforme vemos pelafigura abaixo. Como no caso das válvulas globo de 3 vias, é utilizada em aplicações demistura ou separação de fluidos.


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Válvula tipo borboleta de 3 vias

Válvula de controle tipo esfera

A utilização da válvula de esfera em controle é bastante recente, tendo nos últimosanos crescido a sua utilização, face a um aprimoramento dos desenhos para a suaadaptação ao controle de processos e o surgimento de diversos materiais elastômetrose fluorcarbonetos, em particular o teflon.

Inicialmente a válvula de controle tipo esfera encontrou a sua principal aplicação naindústria de papel e celulose, face as características fibrosas de determinados fluídosnesse tipo de processo industrial.

Porém a sua utilização tem apresentado uma crescente introdução e outros tipos deprocessos, tanto assim que é recomendada para trabalhar com líquidos viscosos,corrosivos e abrasivos além de gases e vapores.

A válvula esfera e constituída por um corpo em cujo interior aloja uma esfera oca (daí oseu nome) que atua como obturador, permitindo uma passagem bastante livre.Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque,constituído-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimascondições de desempenho da sua principal função, isto é, prover uma adequada açãode controle modulado, permite ainda, uma total estanqueidade quando totalmentefechada.

Na figura abaixo vemos um corpo típico de uma válvula esfera.


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Válvula tipo esfera

Como podemos notar, o corpo é bi-partido (para possibilitar a montagem dos internos),sendo que a esfera gira em torno de dois anéis de teflon (construção padrão), alojadosno corpo e que fazem a função de sede. Possibilita a passagem do fluído em qualquerdireção sem problemas dinâmicos, e possui um curso total de 90°.

A válvula esfera é a todas a de maior capacidade de fluxo, devido a sua passagem serpraticamente livre sem restrições. Em relação ao tipo globo, por exemplo, chega aalcançar 3 a 4 vezes maior vazão. Porém isso não deve ser encarado apenas comovantagem e devemos tomar precauções durante a seleção de uma válvula tipo esfera.

Este tipo de válvula apresenta, assim como também a válvula borboleta, em função dacaracterística geométrica dos seus internos, uma alta tendência a cavitar e a atingircondições de fluxo crítico (isso será discutido mais adiante no capítulo referente aodimensionamento), a relativos menores diferenciais de pressão do que os outros tiposde válvulas, especialmente a globo.

Válvula de controle tipo obturador rotativo excêntrico

Um tipo de válvula introduzido no mercado internacional muito recentemente é a deobturador excêntrico. Este tipo de válvula é mostrado na figura a seguir.

Idealizada originalmente para, basicamente, qualquer aplicação de processo, temmostrado realmente vantagens em apenas alguns processos industriais, tais como


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papel e celulose e de forma genérica trata-se de uma válvula recomendada paraaplicações de utilidades ou auxiliares.

O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica doobturador. Tal particularidade de movimento excêntrico possibilita-lhe uma redução dotorque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluído entrando naválvula em qualquer sentido.

Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da suamáxima capacidade de fluxo, sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IVconforme a ANSI B16.104.


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Controle de processos

Definições do controle automático de processos

O termo atual controle automático de processo foi definido quando os procedimentosdo controle automático foram aplicados para tornar mais eficiente e seguro amanufatura de produtos. O controle automático de processo é em grande parteresponsável pelo progresso que vem acontecendo nas últimas décadas. O principalobjetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica semantenha constante em um valor específico.

Basicamente, as estratégias de controle instaladas nas indústrias se dividem em duas:Controle realimentado (Feedback) e controle antecipatório (Feedforward).

É possível também a combinação das duas estratégias de controle para resolverproblemas de estabilidade do controle.

O controle realimentado é a técnica dominante usada no controle de processos. Ovalor da variável controlada é medido com um sensor, e é comparado com o valordesejado (setpoint). A diferença entre o setpoint e a variável controlada é conhecidacomo erro (ou desvio). A saída do controlador é determinada em função deste erro, e éusada para ajustar a variável manipulada.

Uma variedade de funções de erro surgem, e a seleção de uma variável do processomais adequada para ser eleita como variável manipulada é determinada pelascaracterísticas do processo, por fatores econômicos e também de produção.

O controle realimentado tem uma fraqueza inerente na medida que responde somentese houver desvios de variável controlada em relação ao setpoint. Um controladorfeedback sempre responde depois de um evento, através de erros que tenhamsurgido. Idealmente, gostaríamos de evitar que erros ocorressem. Uma estratégia de


SENAI156

controle alternativa é baseada nesta filosofia, e é conhecida como controleantecipatório.

Se for possível medir as variações de carga e predizer seus efeitos sobre a variávelcontrolada, pode ser possível modificar a variável manipulada para compensar asmudanças de carga e prevenir, ou pelo menos minimizar, erros surgidos na variávelcontrolada.O controle realimentado tem que ser projetado sob base do cliente para cadaaplicação, por causa da relação entre as variáveis de carga e as mudanças na variávelcontrolada refletidas no sistema de controle, e deve haver um modelo matemáticoimplícito do processo em qualquer esquema de controle antecipatório.

A deficiência do controle antecipatório é o fato dele não medir a variável controlada,dependendo exclusivamente da precisão da relação estabelecida entre as variáveis decarga medidas para modificar o valor da variável manipulada.

É desta forma que em alguns casos surge a combinação das duas estratégias decontrole, unindo a estratégia do controle realimentado e a do antecipatório,aumentando sensivelmente o custo da implantação mas também a melhoria docontrole.Para o caso do controle realimentado, é necessário que exista uma malha de controlefechada, que opere sem intervenção do elemento humano, medindo continuamente ovalor atual da variável, comparando com o valor desejado e utilizando a possíveldiferença para corrigir ou eliminar a diferença existente.

A variável do processo que é mantida dentro de limites é chamada de variávelcontrolada que sofre as correções da ação de controle é chamada de variávelmanipulada.

Controle automático descontínuo

Os sistemas de controle automático descontínuos apresentam um sinal de controleque normalmente assume apenas dois valores distintos. Eventualmente, este sinalpoderá ser escalonado em outros valores.

Podemos dispor dos seguintes tipos de sistemas de controle descontínuos:• de duas posições (com ou sem histerese);• por largura de pulsos;


SENAI157

• de três posições.

Sistema de controle descontínuo de duas posições

Num sistema de controle descontínuo de duas posições, o controlador apresentaapenas dois níveis de saída: alto e baixo (on/off).

Controle descontínuo de duas posições sem histerese

O sistema mostrado na figura 1, exemplifica um controle de duas posições semhisterese.

O elemento controlador tem como função comparar o valor medido pelo transmissor detemperatura com o valor desejado e, se houver diferença, enviar um sinal ao elementofinal de controle (abrir ou fechar a válvula), no sentido de diminuir o erro (fig. 2).

D - VÁLVULA COM SERVOMOTOR ELÉTRICO (SOLENÓIDE)

A - RESERVATÓRIO AQUECIDO A VAPORB - TOMADA DE IMPULSO DE TEMPERATURA (TERMOPAR)C - CONTROLADOR E INDICADOR DE TEMPERATURA

1 - ENTRADA DE VAPOR (GRANDEZA REGULADORA)2 - SAÍDA DO LÍQUIDO AQUECIDO (GRANDEZA REGULADA)3 - SAÍDA DO VAPOR4 - ENTRADA DO LÍQUIDO A SER AQUECIDO5 - SERPENTINA DE AQUECIMENTO

TIC

A CD

5

B

1 2

3

4

Figura 1


SENAI158

100

50

0

TEM

PER

ATU

RA

FECHADA

ABERTA

VALORDESEJADO(SET POINT)

VÁLV

ULA

Figura 2

Controle descontínuo de duas posições com histerese

O sistema a seguir mostra um controle descontínuo de duas posições com histerese.

RESERVATÓRIODE AR COMPRIMIDO

PRESSOSTATO

REGISTRADOR

SOLENÓIDE

Figura 3

O reservatório é alimentado com ar comprimido cuja pressão é constante e igual a 1.2Kgf/cm2. A descarga contínua do reservatório pode ser modificada por meio da válvulade descarga, de modo a poder simular as variações de descarga do processo. Oelemento de controle (pressostato diferencial), controla uma válvula colocada em sériena entrada do reservatório. Um registrador, cujo gráfico avança com uma velocidadede 1mm/s, permite registrar as variações da pressão em função do tempo.


SENAI159

O gráfico da figura 4 mostra as variações de pressão ao longo do tempo (A) e oacionamento da válvula na mesma base de tempo (B).

Analisando os gráficos A e B, nota-se que nos tempos 1, 2 e 3 (0 a 2,95 min). Opressostato acionou o fechamento da válvula quando a pressão era 0,8 Kgf/cm2 eabertura da mesma quando a pressão for inferior a 0,5 Kgf/cm2.

A diferença existente entre a pressão necessária para a abertura (Pa) e a pressão parafechamento (Pf) é chamada zona diferencial ou diferencial de pressão.

Observa-se também que nos tempos 1', 2' e 3' (2,95 a 5,00 min), o diferencial depressão é de apenas 0,1 Kgf/cm2.

O diferencial (Pf - Pa), representa a zona dentro da qual o elemento controlador, nocaso o pressostato, não intervém.

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0VÁLVULA

ABERTA

FECHADA

kgf/cm 2

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

A

Pf

Pa

Pf

B

FFigura 4


SENAI160

Sistema de controle descontínuo por largura de pulsos

Num sistema de controle descontínuo por largura de pulso, o controlador apresentadois níveis de saída: alto e baixo (on/off) ou ativado e desativado(figura 5). O tempo depermanência em nível ativada ou desativada depende da amplitude do erro. O períododo sinal de saída do controlador é constante.

t

t

ERRO

50%

50%

0%

ELEMENTO FINAL DECONTROLE

100%

Figura 5

Sistema de controle descontínuo de três posições

Num sistema de controle descontínuo de três posições, o controlador pode fornecerum sinal de saída em três níveis (0, 50 e 100%), definidos em função do comprimentoda variável controlada dentro da zona diferencial(figura 6).


SENAI161

100

50

0

SA

ÍDA

DO

CO

NTR

OLA

DO

R(%

)

E2 0 E1SINAL DE ERRO

(%)

Figura 6

Os gráficos (figura 7) demonstram o comportamento dinâmico da variável controlada edo sinal de saída do controlador, para um caso hipotético.

E2

0

E1

100

50

0

SA

ÍDA

DO

CO

NTR

OLA

DO

R(%

)

ZONA DIFERENCIAL

ATRASO

ER

RO

Ep(%)

Figura 7

E1 = Erro máximo positivoE2 = Erro máximo negativoNo controle mostrado pelo gráfico acima foram definidas as seguintes condições:Saída do controlador = 100% quando Ep > E1

Saída do controlador = 50% quando E2 < Ep < E1


SENAI162

Saída do controlador = 0% quando Ep < E2

Controle automático contínuo

O sistema de controle automático contínuo tem como característica um controladorcuja saída varia continuamente, isto é, podendo assumir qualquer valor compreendidoentre os limites máximo e mínimo.

Naturalmente os controladores e os elementos finais de controle contínuo diferem dosde um controle descontínuo. Nos sistemas de controle descontínuo, a variávelcontrolada varia em torno desejado, com oscilações cujas amplitude e freqüênciadependem das características do processo e do próprio sistema de controle. Nossistemas de controle contínuo, a variável controlada não oscila, mas se mantémconstante no set-point.

Na figura 8 é visto um sistema de controle contínuo:

TIC

A DD

5

B

1 2

3

4TT

C

Figura 8

Característica de um controlador contínuo

Basicamente um controlador contínuo é composto por um conjunto de blocos conformemostrado na figura 9:


SENAI163

COMPARADORTRATAMENTO

DOOFF SET

SINAL DE ERRO

OFF SET

SINAL DE

CORREÇÃO

VP

SP

Figura 9

Onde:COMPARADOR = Tem como função gerar um sinal de erro proporcional a diferençainstantânea entre a variável e set-point.TRATAMENTO = Tem como função processar o sinal de erro (off-set).DO OFF-SET gerando um sinal de correção.

Dependendo da forma como o sinal de erro (off-set) é processado, podemos dispor deum sistema de controle contínuo subdividido em:• Controle Proporcional• Controle Proporcional + Integral• Controle Proporcional + Derivativo• Controle Combinado

Controle proporcional

O modo de controle proporcional pode ser considerado como uma evolução do modode controle de duas posições.

A saída de um controlador proporcional pode assumir qualquer valor desde quecompreendido entre os limites de saída máxima e mínima, em função do erro (off-set)verificado.

A ação proporcional apresenta uma relação matemática proporcional entre o sinal desaída do controlador e o erro (off-set). Portanto, para cada valor de erro, temos umúnico valor de saída em correspondência (figura 10).


SENAI164

TEMPO

VAR

IÁVE

L D

E PR

OC

ESSO

Figura 10

Na figura 11 é mostrado um diagrama de blocos de um controlador proporcional:

BLOCOGERADOR DE

OFF SET SOMADOR

AMPLIFICADOROFF SETAÇÃOPROPORCIONAL

POLARIZAÇÃO

SAÍDAVP

SP

Figura 11

Matematicamente, pode-se expressar a ação proporcional, como:S = Po ± (G x E)

onde:S = Sinal de saídaPo = Polarização do Controlador, isto é, sinal de saída para erro nuloG = Ganho, isto é, constante de proporcionalidade entre o erro e o sinal de saídaE = Off-set (erro), isto é, diferença entre a variável controlada e o set-point

Banda proporcional

A faixa de erro (como no gráfico anterior a faixa A ou B), responsável pela variação de0 a 100% do sinal de saída do controlador, é chamada BANDA PROPORCIONAL (BP).Pode-se definir também como sendo o quanto (%) deve variar o off-set (erro), para seter uma variação total (100%) da saída.


SENAI165

A relação existente entre ganho e banda proporcional é:BP = 100 G

O gráfico a seguir mostra a característica da banda proporcional:

63 9 12 15

6

3

9

12

15

0 25 50 75 100

0

25

50

75

100

Pe

psi

psi%

%

Ps

xp =

100%

xp =

50%

xp = 200%

Figura 12

Observe que se a banda proporcional é inferior a 100%, (no caso 50%), para se obteruma variação total de saída não é necessário que o off-set varie 100% (no caso 50% jáé suficiente). Se a banda proporcional é superior a 100% (no caso 200%), a saídateoricamente nunca irá variar totalmente, mesmo que o off-set varie toda a faixa(100%).

Caso o valor do erro ultrapasse a faixa da banda proporcional, o sinal de saídasaturará em 0 ou 100%, dependendo do sinal de erro.

O valor de Po é normalmente escolhido em 59% da faixa de saída, pois desta forma ocontrolador terá condição de corrigir erros tanto acima como abaixo do set-point.


SENAI166

Controle proporcional + integral

Os controladores com ação Integral (Controle com Reset) são considerados de açãodinâmica pois a saída dos mesmos é uma função do tempo da variável de entrada.

A saída de um controlador com ação integral é proporcional à integral do erro ao longodo tempo de integração, ou seja, a velocidade da correção no sinal de saída éproporcional a amplitude do erro. Enquanto houver erro, a saída estará aumentando aolongo do tempo.

A figura 14 mostra a variação do sinal de saída (PS) de um controlador pneumático, emfunção do tempo, supondo que o Set-Point seja em 50% e o sinal de entrada (Pe) docontrolador varie em degrau passando de 9 PSI (50%) para 10 PSI (58%).

8

7

9

10

11

12

13

1 2 3 40

Tv

1psi

1psi

Ps

Pe

C

D

min

t

Pe-Ps

Figura 14

Observe que a saída do controlador Ps (linha pontilhada), aumenta instantaneamenteem t=0 (momento que acontece um degrau na entrada do controlador) de 9 a 10 PSI edepois vai aumentando, com velocidade constante, enquanto dura o degrau imposto naentrada do controlador. Esta variação em forma de rampa provocada pela açãointegral.

O tempo Tv é o tempo necessário para que a saída do controlador (Ps) devido a açãointegral tenha variado a mesma quantidade que devido a ação proporcional a saídavariou no instante t=0, ou seja, no exemplo mostrado no tempo t=0 a saída variou em 1PSI após decorrido Tv a saída mais 1 PSI.


SENAI167

Neste exemplo, Tv = 1,2 min. A este tempo Tv é dado o nome de Tempo Reset e éexpresso em Minutos Por Repetição (MPR).

A ação integral pode também ser denominada Taxa Reset e expressa em RepetiçõesPor Minuto (RPM). A relação entre Tempo Reset e Taxa Reset é:

Tempo Reset (MPR) = 1/Taxa Reset (RPM)A figura abaixo mostra as curvas de saída de um controlador com diferentes ajustes deintegral.

8

7

9

10

11

12

13

1 2 3 40

Tv

1psi

1psi

Ps

Pe

C

D

min

t

Pe-Ps P's

Figura 15

Controle proporcional + derivativo

Nos controladores com ação Derivativa (Controle Antecipatório), a saída do controladoré proporcional a velocidade de variação do erro na entrada.

A figura 17 mostra a saída "Ps" (linha pontilhada) de um controlador, no casopneumático, somente com ação proporcional.


SENAI168

8

7

9

10

11

12

13

1 2 3 40 min

t

Pe-Ps

Ps

A

B

psi

Pe

Figura 17

Se a variação na entrada (Pe) se apresentar em forma de rampa (velocidadeconstante), devido a ação proporcional, a saída Ps varia na mesma proporção que Pe.

A introdução da ação derivativa no controle, pode ser vista na figura 18.

8

7

9

10

11

12

13

1 2 3 40 min

t

Pe-PsPs

A

B

psi

TA

Pe

Figura 18

Observe que no instante em que a entrada Pe começa a variar (ponto A), a saída Ps

sofre um incremento de 12,5% (1,5 PSI) e em seguida aumenta com a mesmavelocidade da variação de entrada Pe. O aumento rápido inicial é devido à açãoderivativa, enquanto o aumento gradual que segue é devido à ação proporcional.

Analisando o gráfico, o tempo de antecipação Ta é o tempo que a ação derivativa seantecipa ao efeito da ação proporcional, ou seja, houve uma antecipação de 12,5% nasaída inicialmente e após Ta minutos a saída variou mais 12,5%.


SENAI169

A ação derivativa pode ser denominada como Pré-Activa.

Critérios de estabilidade e ações de controle

Ação proporcional

A característica da ação proporcional é de acelerar a resposta da variável do processo,após uma seqüência de variações da própria variável ou mudança de set-point.

O estudo da ação proporcional sobre um processo em malha fechada mostra que acorreção da ação proporcional deixa sempre um off-set, ou seja, não eliminatotalmente o erro como mostra a figura 1.

CARGA

TEMPERATURA

POSIÇÃODA

VÁLVULA

AU

ME

NTA

AB

RE

110 C

100 C

90 C

o

o

o

RESULTANTE

SET POINT NOVALOR DESEJADO

PONTO DECONTROLE

MUDANÇA EM DEGRAU

OFF SETDE 10 Co

1 2 3 4 5 6 7 8 tempo

Figura 1

A seguir mostraremos um exemplo numérico para demonstrar o off-set.Considere um reservatório onde entram água quente e água fria. A temperatura daágua que sai é regulada por um TRC (Registrador Controlador de Temperatura) queage sobre a entrada de água fria, conforme mostra a figura 2.


SENAI170

TE

TIC

100 t/H100 t/H

ÁGUA A 80 CÁGUA A 80 Co

o

Figura 2

Na situação de equilíbrio indicada pela figura 2, a temperatura resultante da misturadas duas águas, será:

( 80 . 100 ) + ( 20 . 100 ) = 8000 + 2000 = 50 ºC 100 + 100 200

Vamos supor que seja feito um ajuste na banda proporcional para que cada 1 ºC deerro o TRC corrija a vazão da água fria em 5 l/h)

Desenvolvendo o raciocínio anterior, temos: se, por exemplo, a temperatura cair para45 ºC, por uma razão qualquer, o TRC mandará um sinal corrigido para a válvula eessa mandará um sinal corrigido para a válvula e essa mudará a vazão para 100 l/h –( 5 ºC . 5 l/h ) = 100 - 25 = 75 l/h

A temperatura nova do processo será:

( 80 . 100 ) + ( 20 . 75) = 8000 + 1500 = 54 ºC 100 + 75 175

Novamente existe diferença entre a temperatura desejada e a medida, mas dessa vezapenas de -4 ºC, então a vazão será mudada para: 100 l/h - ( -4 ºC . 5 l/h ) = 100 + 20= 120 l/h, determinando assim uma nova temperatura de equilíbrio:

( 80 . 100 ) + ( 20 . 120 ) = 8000 + 2400 = 47 ºC 100 + 120 220


SENAI171

Como se vê, o TRC, através de seu controle, está diminuindo aos poucos a diferençade temperatura, e a curva resultante será como se representa na figura 3.

Usando-se ainda o mesmo exemplo, pode-se também mostrar o efeito do off-set.

50 C

55 C

45 C

o

o

o

SET POINT

Figura 3

Imagine, agora, que a temperatura da linha de água quente passou de 80 ºC para 90ºC) A nova temperatura de regime será:

( 10 . 90) + ( 100 . 20 ) = 11000 = 55 ºC 100 + 100 200

O regulador TRC agirá sobre a válvula na linha de água fria, de maneira a admitir mais25 l/h, considerando que a faixa proporcional ainda é 5 l/h para cada 1 ºC)

Então a nova vazão de água fria será 125 l/h e a nova temperatura:

( 100 . 90 ) + ( 105 . 20 ) = 11500 = 51 ºC 100 + 125 225

A diferença agora será de -1 ºC, apenas; logo, a válvula será atuada pelo TRC, demaneira que passem só 100 l/h - ( -1 ºC . 5 l/h ) = 105 l/h, o que dará uma novatemperatura de equilíbrio de:

( 100 . 90 ) + ( 105 . 20 ) = 11100 = 54 ºC 100 + 105 205


SENAI172

Verifica-se, portanto, que, por mais tentativas que o TRC faça para que a temperaturase estabilize em 50 ºC, não o consegue)

O que se obtém, então, é uma aproximação de 2,5 ºC, que o off-set, pois o equilíbriopossível de se estabelecer, automaticamente, com o fator de correção de 5 l/h paracada 1 ºC de variação do set-point será uma temperatura de 52,5 ºC de saída de água.

Ação proporcional + integral

Como já foi dito, a ação integral pura tem a grande vantagem de continuar a corrigir aposição da válvula até que não exista mais desvio. Então adicionando-se a açãointegral pura na ação proporcional, a indesejável característica do off-set da açãoproporcional poderá ser superada. A ação proporcional mais ação integral combinada,pode ser chamada de reajuste automático, reposição automática ou simplesmentereposição (reset).

A melhor maneira de explicar a operação de ações combinadas de controle éesquematizar separadamente os componentes do movimento da válvula devido a cadaação e observar como cada uma contribui para a posição resultante da válvula. A figura4 mostra uma análise dos componentes da válvula em controle real do processo.

C

B

A

CARGA

TEMPERATURA

POSIÇÃODA

VÁLVULA

AUM

ENTA

ABR

E

RESULTANTE

CORREÇÃO EXATA

COMPONENTE DAAÇÃO INTEGRAL PURA

COMPONENTE DAAÇÃO PROPORCIONAL

SET POINT

MUDANÇA DE DEGRAU

TEMPO0 1 2

Figura 4


SENAI173

Ao tempo zero ocorre um aumento em degrau da carga. Devido a ação proporcionaluma grande ação corretiva é imposta a válvula quando a temperatura desvia do set-point e logo em seguida é retirada completamente tendo em vista o retorno datemperatura (variável controlada) ao set-point. Mas deve ser notada que a correçãofinal exata é devido unicamente ao componente da ação integral pura.

A área hachurada A, sob a curva do componente proporcional, representa a energiafornecida pela ação proporcional. A área B representa a energia fornecida pela açãointegral pura. A área C, mostrada sob a curva da resultante representa o excesso decorreção, que é a correção em excesso da correção exata, que foi aplicada e retiradapela ação proporcional.

Os fatos de primeira importância relacionados com a ação proporcional mais integral éque tornou-se possível um controle sem off-set para todas as condições de carga, masque o reajuste automático não contribui para a estabilidade da malha de controle)

Ação proporcional + derivativa

Nesta ação existe uma relação contínua e linear entre a velocidade de deslocamentoda variável controlada e a posição do elemento final de controle. Em outras palavras, aquantidade de movimento da válvula é proporcional a velocidade a qual muda atemperatura. Quanto maior a velocidade do desvio, maior a amplitude da correção.

Novamente a melhor maneira de explicar os detalhes da ação proporcional maisderivativa é esquematizar os componentes do movimento da válvula separadamentecomo mostra a figura 5.

Nota-se que a quantidade de correção da ação derivativa é proporcional a inclinaçãoda curva da variável controlada. Quando a variável muda o mais rapidamente, aotempo zero, a correção é maior devido a ação derivativa. Quando a variável passa pelomáximo desvio no tempo 0,4 min sua velocidade de variação é zero, portanto ocomponente da ação derivativa é zero. Quando a variável afasta-se do set-point, aação derivativa fornece energia representada pela área A para opor-se a mudança. Aação derivativa retira a energia representada pela área B para opor-se a estamudança.


SENAI174

A ação derivativa possui então uma grande característica de estabilidade no controle,isto é, seu efeito estabilizante sobre o controle é enorme. Nota-se, porém, que depoisque a variável se estabiliza, tempo 1 min, apenas a correção da ação proporcionalpermanece. A ação derivativa não tem, portanto, efeito direto no off-set.

Os fatores de primeira importância relacionados com a ação derivativa é que, opondo-se a todas as variações, tem um grande efeito estabilizante no controle, mas ele nãoelimina a característica indesejável do off-set da ação proporcional.

CARGA

TEMPERATURA

POSIÇÃODA

VÁLVULA

AU

ME

NTA

AB

RE

RESULTANTE

COMPONENTE DAAÇÃO DERIVATIVA


SET POINT

TEMPO0 1 2

A

B

OFF SET

Figura 5

Ação proporcional + integral + derivativa

Os três modos de controle, anteriormente descritos, podem ser combinados em uminstrumento de controle para obter todas as suas vantagens.A figura 6 mostra separadamente os componentes do movimento da válvulaproduzidos por cada ação depois de uma mudança de carga em degrau ao tempozero. Como podemos ver o componente da ação proporcional corrige a posição da


SENAI175

válvula de uma quantidade proporcional ao desvio e produz assim um aumentotemporário de energia de entrada representada pela área A.

CARGA

TEMPERATURA

POSIÇÃODA

VÁLVULA

AUM

ENTA

ABR

ERESULTANTE

COMPONENTE DAAÇÃO DERIVATIVA


TEMPO0 1 2

B

C

E

F

CORREÇÃOEXATA

COMPONENTE DAAÇÃO INTEGRAL PURA

D

A

SET POINT

MUDANÇA DE DEGRAU

Figura 6

O componente da ação integral pura corrige a posição da válvula à uma velocidadeproporcional ao desvio e produz assim um aumento permanente de energia de entradarepresentada pela área D. O componente da ação derivativa corrige a posição daválvula de uma quantidade proporcional a velocidade de variação da variávelcontrolada. A correção derivativa forneceu primeiramente a energia representada pelaárea B, e a seguir, retirou a energia representada pela área C. A curva resultante daposição da válvula mostra que primeiramente um excesso de correção foi aplicadopara opor-se ao afastamento da variável do valor desejado. Este excesso de entradade energia é representado pela área E. Logo depois uma correção inferior a que serianecessária é aplicada e a variável volta ao valor desejado. Essa segunda correção é


SENAI176

representada pela área F. Nota-se que, finalmente, nem a ação proporcional nem aação derivativa permaneceram com qualquer correção na posição final da válvula;apenas a ação integral produz esta correção que satisfaz exatamente a nova condiçãode carga.

Critérios de qualidade de controle

O que é um bom controle? Existem três critérios para se analisar a qualidade dedesempenho de um controlador. A escolha de um critério depende do processo emanálise) O que é melhor desempenho para um processo pode não ser para outro.

Veremos nos próximos parágrafos qual o critério a usar em casos determinados. Todosestes critérios referem-se a forma e a duração da curva de reação depois de umdistúrbio.

Critério da taxa de amortecimento ou área mínima

De acordo com este critério, a área envolvida pela curva de recuperação deverá sermínima, ver figura 7. Quando esta área é mínima, o desvio correlaciona a menoramplitude com o menor tempo. Foi mostrado que esta área é mínima quando a relaçãode amplitude entre os dois picos sucessivos é 0,25. Isto é, cada onda será um quartoda precedente.

a1

a2

ÁREA MÍNIMAa2 = 0,25 a1

NOVO VALOR DAVARIÁVEL

Figura 7


SENAI177

Este critério é o mais usado de qualidade de controle ou estabilidade. Ele se aplicaespecialmente aos processos onde a duração do desvio é tão importante quanto suaamplitude. Por exemplo, em determinado processo, qualquer desvio além de uma faixaestreita pode ocasionar um produto fora de especificação. Neste caso, o melhorcontrole será aquele que permite os afastamentos desta faixa pelo tempo mínimo.

Critério de distúrbio mínimo

De acordo com este critério, as ações de controle deverão criar o mínimo de distúrbio aalimentação do agente de controle e a saída do processo. Isto requer geralmentecurvas de recuperação não cíclicas similares a curva da figura 8. Este critério aplica-sea malhas de controle onde as ações corretivas constituem distúrbios aos processosassociados.

Por exemplo, correções repentinas ou cíclicas a uma válvula de controle de vapor podedesarranjar a alimentação de vapor e causar sérios distúrbios a outros processosalimentados pela mesma linha. Do mesmo modo, toda vez que se tenha uma condiçãoonde a saída de um processo é a entrada do outro, as variações repentinas ou cíclicasde saída do primeiro processo pode ser uma mudança de carga intolerável para osegundo.

DISTÚRBIO MÍNIMO

Figura 8

Critério da amplitude mínima

De acordo com este critério, a amplitude do desvio deverá ser mínima. A figura 9mostra a curva. Este critério aplica-se especialmente aos processos onde oequipamento ou o produto podem ser danificados por desvios excessivos, mesmosendo de pouca duração. Aqui a amplitude do desvio é mais importante que suaduração.


SENAI178

AMPLITUDE MÁXIMA

Figura 9

Por exemplo, na fundição de determinadas ligas metálicas, especialmente as dealumínio, uma ultrapassagem mesmo temporária de temperatura pode queimar o metale reduzir consideravelmente sua qualidade. Um outro processo desta espécie é o danitração do tolueno na fabricação de TNT (explosivo).

Aqui, se tolerasse que as temperaturas se afastassem de 5 ºF do set-point, umagrande reação exotérmica ocorreria, capaz da destruição total do equipamento dafábrica. Para tais processos, as ações de controle devem ser escolhidas e ajustadas demaneira a produzir os desvios de menor amplitude.


SENAI 179

Analisador de pH

Introdução

Os analisadores de pH, também conhecidos como peagâmetros, são instrumentos

analíticos que medem a concentração de íons hidrônios em uma solução aquosa.

Através dessa grandeza, é possível determinar o grau de acidez ou alcalinidade dessa

mesma solução.

O método mais precioso na determinação de pH está baseado nos efeitos

eletroquímicos que certas substâncias apresentam quando em presença de íons

hidrônios. Esses efeitos são gerados por meio de dispositivos especiais, que fornecem

um potencial elétrico proporcional ao pH da solução em medição.

Teoria de funcionamento

Conceitos fundamentais

Dissociação da águaAs moléculas de água sofrem dissociação espontânea, originando íons hidrônios e

hidroxila, segundo a expressão:

(*)2H2O <-> H3O+ + OH-

As concentrações são equimolares.

Representando-se por [ ] a concentração em íons grama por litro, tem-se:

[H3O+] = [OH+] = 1.10-7 a 25ºC.

Obs.: * Considera-se o íon hidrônio H3O+ de conformidade com a teoria atual. Pode-se, sem prejuízo conceitual, prático,

supor tratar-se do íon H+, segundo a teoria clássica. Esta admite a dissociação: H2O _ H+ + OH-


SENAI180

A dissolução de um ácido ou um álcali em água resulta em uma maior concentração de

íons H3O+ ou OH-, respectivamente. Assim, uma solução aquosa de um ácido de fórmula

genérica HX, pode ser representada por:

HX + H2O H3O + X- + HX

(além do produto normal de dissociação da água, onde a proporção de moléculas

dissociadas será tanto maior quanto mais forte for o ácido).

Definição de pH

Da mesma forma que o metro é uma unidade de comprimento e o grau Celsius uma

unidade de temperatura, o pH é a unidade de medição da acidez ou alcalinidade de uma

solução. O pH mede o número de íons hidrônios H3O+ presente em uma solução, isto é,

a concentração de íons H3O+.

A expressão matemática que define o pH é:

pH = -log [αH3O+]

onde o símbolo α indica que somente os íons hidrônios ativos são influentes.

A atividade iônica sofre influência de diversos fatores, dentre eles a concentração, a

temperatura e a presença de outros íons.

Para soluções altamente diluídas, α ~ 1.

Escala de pH

A escala de pH, cobre uma faixa que está compreendida entre 0 e 14. Esta faixa

corresponde a concentrações de íons hidrônios que variam de 1 a 10-14 íons grama por

litro, respectivamente. A existência de valores além desses limites, é teoricamente

possível, porém desprovida de interesse prático.

0 7 14

(1 íon de H O )3+

(10 íons de H O )3+-14

AlcalinoÁcido

Neutro

............


SENAI 181

É interessante notar que , como a concentração de íons hidrônios na água pura é função

de temperatura, ocorre uma variação real de seu pH em função desta. Assim sendo, a

água pura adquire os seguintes valores de pH.

0ºC -> [H3O+] ~ 0,34 X 10-7 -> pH = 7,47

25ºC -> [H3O+] = 1 X 10-7 -> pH = 7,00

60ºC -> [H3O+] = 3,1 X 10-7 -> pH = 6,51

É importante observar a relação logarítmica entre o valor do pH e a [aH3O+] . A variação

de uma unidade de pH corresponde a uma variação de dez vezes a [aH3O+].

100

10

1 1

10

100

4 5 6 7 8 9 10

pH

[α H O ]3+

Métodos de medição

O pH de uma solução é medido por dois métodos:

• método colorimétrico

• método eletrométrico

Método colorimétrico

O método colorimétrico emprega reativos indicadores que, em contato com a solução a

medir, apresentam uma mudança de coloração. A medição consiste em comparar a cor

adquirida pelo reativo com uma escala colorida e graduada em valores de pH, após o

contato do reativo com a solução a medir.

Os reativos indicadores mais comuns são preparados sob forma de:

• soluções que são gotejadas na solução a medir;

• tiras de papel que são mergulhadas na solução a medir.

Como método colorimétrico utiliza reativos descartáveis e a medição é manipulada pelo

homem, ela não é utilizada na análise contínua de pH.

Além disso, os resultados são imprecisos, pois dependem da qualidade dos reagentes e

da prática da pessoa que efetua a medição.


SENAI182

Método eletrométrico

O método eletrométrico está baseado, a princípio, no mesmo fenômeno responsável

pelo aparecimento de um potencial elétrico em uma pilha galvânica.

A medição de pH pelo método eletrométrico emprega elementos que geram um potencial

elétrico em função da concentração de íons hidrônios na solução a medir. Esses

elementos são denominados de eletrodo de medição e eletrodo de referência.

Eletrodo de medição

O eletrodo de medição, também, denominado de eletrodo de membrana de vidro,

consiste em um recipiente tubular hermeticamente fechado, contendo no seu interior um

eletrodo de ligação imerso em uma solução tampão ([H3O+] = constante). Na

extremidade do tubo que está em contato com a solução a medir, existe uma membrana

de vidro especial, sensível aos íons H3O+.

Entre as duas faces da membrana surge uma diferença de potencial proporcional à

diferença de concentração de íons hidrônios entre elas. O surgimento da diferença de

potencial entre as duas faces da membrana depende da sua hidratação, e de um

fenômeno de troca de cátions monovalentes do vidro por íons hidrônios da solução, para

os quais a camada superficial apresenta mobilidade somente para os íons H3O+, sendo

considerado assim como um eletrodo íon-seletivo para H3O+. Deve-se frisar que, no

eletrodo de vidro, não ocorre troca de íons ou moléculas entre a solução tampão e a

solução a medir.


SENAI 183

Fechamento

Tubo

Eletrodo deligação

Coberturade AgCl

Soluçãotanpão

Membrana

A diferença de potencial, na membrana, é determinada matematicamente, segundo a

expressão:

E = Un (pHref - pHx)

onde:

E = diferença de potenciação entre as faces da membrana

Un = tensão de Nernst (0,0591 V a 25ºC)

pHref = pH da solução tampão (pH = 7)

pHx = pH da solução a medir

Pela relação anterior, tem-se que o potencial gerado é função linear do pH da solução a

medir e a da tensão de Nernst, sendo que esta diretamente proporcional com a

temperatura.

A tabela 1 mostra alguns valores de tensão, gerada na membrana, em função do pH da

solução a medir e da temperatura.


SENAI184

Temperatura

0ºC 25ºC 50ºC 100ºC

pH mV mV mV mV

0 +379,33 +414,12 +448,84 +518,21

1 +325,14 +354,96 +384,72 +444,18

2 +270,95 +295,80 +320,60 +370,15

3 +216,76 +236,64 +256,48 +296,12

4 +162,57 +177,48 +192,36 +222,09

5 +108,38 +118,32 +128,24 +148,06

6 +54,19 +59,16 +64,12 +74,03

7 0,00 0,00 0,00 0,00

8 -54,19 -59,16 -64,12 -74,03

9 -108,38 -118,32 -128,24 -148,06

10 -162,57 -177,48 -192,36 -222,09

11 -216,76 -236,64 -256,48 -296,12

12 -270,95 -295,80 -320,60 -370,15

13 -325,14 -354,96 -384,72 -444,18

14 -379,33 -414,12 -448,84 -518,21

O potencial na parte interna da membrana é captado através do eletrodo de ligação.

Este se constitui de um metal inerte (prata), recoberto parcialmente por um sal do

mesmo material (cloreto de prata).

Eletrodo de referência

O potencial na superfície externa da membrana do eletrodo de medição é captado por

meio do eletrodo de referência através da solução a medir.


SENAI 185

E

Eletrodo de referênciaEletrodo de medição

Solução a medir

O eletrodo de referência, é constituído por um tubo de vidro contendo no seu interior

um eletrodo de ligação, imerso em um eletrólito. Esses dois elementos constituem o

sistema de referência. Na extremidade do tubo, que está em contato com a solução a

medir, existe um elemento poroso. Este elemento tem por finalidade estabelecer um

percurso condutivo entre a solução interna e a solução do processo.

Tubo

Eletrodo de ligação

Cobertura

Eletrólito

Elemento poroso


SENAI186

Dentre os inúmeros sistemas de referência, os mais utilizados são:

Ag/AgCl imerso em solução de KCl (saturado para aplicação em temperaturas próximas

a 100ºC).

Hg/HgCl imerso em solução de KCl (geralmente saturado).

Conhecido como calomelano.

Destes, o mais empregado na determinação do pH em processos industriais é o

Ag/AgCl.

Existem dois tipos de eletrodos de referência, a saber:

• escoamento (flow em inglês)

• difusão (no-flow em inglês)

No eletrodo de referência por escoamento, o eletrólito escoa lentamente em direção à

solução do processo. Nesse eletrodo, é sempre necessária a existência de uma pressão

positiva para forçar a saída do eletrólito e evitar a contaminação interna do eletrodo pela

solução do processo.

Uma conexão (conhecida também como oliva) ou simplesmente um orifício na parte

superior do tubo permite a pressurização do eletrodo, quando a pressão do processo

impedir o funcionamento normal da junção. Esses recursos permitem também a

reposição do eletrólito.

Orifício

Conexão

No caso de pequenas pressões, emprega-se uma coluna líquida de eletrólito que se

forma em uma mangueira flexível acoplada da conexão a um reservatório. Para


SENAI 187

pressões de processos mais elevados, o eletrodo de referência é instalado dentro de

uma câmara pressurizada a ar.

A necessidade de pressurização dos eletrodos de referência por escoamento e a

consequente manutenção levou ao emprego crescente dos eletrodos por difusão. No

eletrodo por difusão, ocorre apenas a passagem dos íons do eletrólito para a solução do

processo, ou seja, não existe o deslocamento de moléculas. O eletrodo por difusão se

apresenta como um sistema selado, operando as pressões de processo de ordem de

vários kgf/cm2 sem pressurização interna. A máxima pressão e temperatura de operação

desse tipo de eletrodo são interdependentes, devendo ser consultado o fabricante. Para

aplicações especiais, existem eletrodos de referência com características específicas,

dentre eles:

• referência com ponte salina ou junção remota;

• referência de corpo duplo ou junção dupla;

• referência com junção de luva esmerilhada;

• referência com junção porosa substituível.

Eletrodo combinado

Os eletrodos de vidro e referência podem ser fabricados, reunidos num só eletrodo,

recebendo a denominação de eletrodo combinado, que usa um eletrodo de referência do

tipo escoamento.


SENAI188

Orifício

Membrana

Eletrodos deligação

Elemento poroso

Cabo

Os eletrodos combinados apresentam uma opção interessante em termos de redução de

custo de aquisição, facilidade de reposição e redução do número de itens de estoque.

Uma outra vantagem em termos de aplicação é a possibilidade de se efetuar medição de

pH em soluções de baixa condutividade elétrica, devido à proximidade da junção com a

membrana (condutividade de 1mS a 3mS). Existem porém casos onde é tecnicamente

mais recomendado o emprego de eletrodos separados.

Potencial de assimetria

Potencial de assimetria é a tensão que aparece entre as superfícies da membrana,

mesmo quando ambos os lados estão em contato com uma solução de igual pH.

Qualquer influência que possa alterar a composição e as propriedades de troca de íons

H3O+ do vidro causa a assimetria.

A magnitude do potencial de assimetria varia com o pH da solução em contato com o

vidro, com a temperatura, com o formato de membrana e com o tempo de uso.

Nos instrumentos para medição de pH, o potencial de assimetria é cancelado

eletronicamente na calibração.


SENAI 189

Elementos de um analisador

Um analisador de pH industrial é composto pelos seguintes elementos:

• Eletrodos e dispositivos de montagem

• Sistemas de limpeza

• Transmissor

Eletrodos e dispositivos de montagem

Os dispositivos de montagem dos eletrodos têm por finalidade:

• Permitir a montagem dos eletrodos no ponto desejado do processo.

• Proporcionar proteção mecânica aos eletrodos.

• Permitir a pressurização do eletrodo de referência, quando necessária.

Existem três tipos de dispositivos de montagem, a saber:

• Câmara de imersão

• Câmara para operação em linha

• Câmara de inserção (dispositivos especiais de inserção)

A câmara de imersão é utilizada em tanques abertos ou em calhas. Nela pode ser

adaptada um reservatório para eletrólito quando o eletrodo de referência for do tipo

escoamento.


SENAI190

Cabeçote

haste

Câmara de imersão

A câmara para operação em linha é instalada de forma que a montagem possibilite a

remoção da câmara sem haver interrupção do processo. Isto é feito instalando-se a

câmara com linha de desvio (by-pass), ou em uma linha secundária do processo.

A câmara para operação em linha possibilita a medição em processos cujos limites de

pressão e/ou temperatura ultrapassem os limites dos eletrodos atualmente disponíveis,

mediante um prévio condicionamento da amostra.

Câmara paraoperação em linha

Linha


SENAI 191

A câmara de inserção permite a introdução lateral dos eletrodos em reatores, tanques ou

tubulações de processo. Sua montagem é feita por meio de flanges e podem ser

acoplados a válvulas que permitem a remoção sem interrupção do processo.

Cabeçote Flange

Sistemas de limpeza

A manutenção da precisão e rapidez de resposta de um sistema de medição de pH

depende essencialmente da limpeza dos eletrodos. Deve ser evitada a deposição de

sujeira sobre a membrana do eletrodo de medição, e a obstrução da superfície de

escoamento ou difusão do eletrodo de referência.

A limpeza contínua dos eletrodos pode ser feita por meio de diversos sistemas, dentre os

quais, o que possibilita melhor eficiência é o ultra-sônico.

Através de um transdutor ultra-sônico posicionado próximo dos eletrodos e excitado por

um gerador de ultra-som, as partículas encontradas no fluído são agitadas, retardando

ou evitando sua deposição nos eletrodos.

O sistema de limpeza por ultra-som não é suficiente em todos os casos, como, por

exemplo, a medição em soluções que contenham óleos.

Transmissor

As principais funções de um transmissor, no sistema de medição de pH com eletrodos

são:

• Transmitir um sinal padronizado de corrente ou tensão, proporcional ao pH da

solução em medição.


SENAI192

• Prover os controles necessários para se efetuar a calibração, posicionar os níveis de

alarme e compensar manualmente a temperatura.

• Indicar, no local, o valor de pH.

O sistema de medição com eletrodos se apresenta como um gerador de tensão com

elevada impedância interna. Esta característica obriga ao transmissor empregar

amplificador com alta impedância de entrada. A medição do potencial com instrumentos

inadequados conduz a erros grosseiros. O amplificador engloba os circuitos de

amplificação e condicionamento de sinal, bem como os controles necessários à

calibração e à compensação de temperatura.

Alguns fabricantes empregam um pré-amplificador montado junto aos eletrodos que

envia ao amplificador um sinal de baixa impedância através do cabo de conexão.

Com a tecnologia atual, é possível a instalação dos eletrodos a distâncias da ordem de

até 20m do amplificador, sem qualquer degradação do sinal, e sem necessitar a

utilização de pré-amplificador na sonda ou câmara. De qualquer modo, o transmissor

deverá ser instalado o mais próximo possível dos eletrodos.

A correção do erro de medição introduzido pela variação de temperatura é efetuada pela

termocompensação automática manual. No caso da compensação automática, além dos

eletrodos de medição e referência, tem-se um sensor de temperatura em contato com a

solução do processo. Este comanda o ganho do amplificador.

Os termosensores utilizados mais freqüentemente são termoresistência de platina ou

níquel e termistores

Embora um bom amplificador seja eletricamente compatível com quaisquer tipos de

eletrodos, o mesmo não ocorre com relação ao sensor do termocompensador

automático. Diferentes equipamentos operam com diferentes tipos de sensores.

Muitos equipamentos apresentam, além da transmissão de sinal, contatos locais de alto

e baixo, ajustáveis de 0 a 100% da faixa; estes contatos podem ser empregados para

sinalização e/ou alarme ou para controle tudo-ou-nada.

Aplicação


SENAI 193

As principais aplicações da medição e controle de pH são:

• Processos onde o rendimento e/ou controle de qualidade do produto é função do pH;

• Inibição de corrosão;

• Tratamento e neutralização de efluentes.

No primeiro caso, enquadram-se processos químicos e bioquímicos. Pode-se citar como

exemplo em processos bioquímicos a produção de antibióticos e fermentação.

A inibição de corrosão por controle de pH é aplicada principalmente no controle de água

de alimentação de caldeiras.

No tratamento de efluentes são efetuados o controle de neutralização final e,

eventualmente, a manutenção de níveis de pH apropriados ao desenvolvimento de

reações de oxi-redução e/ou precipitação.

Exemplo de aplicação

As empresas químicas que produzem ácido e soda enfrentam os mais variados

problemas que ocasionam a contaminação da água industrial de despejo. Esses

problemas são, por exemplo: água utilizada na lavagem dos tanques; drenagem de

equipamentos; águas pluviais que entram em contato com produtos estocados em pátios

ou provenientes de vazamentos.

Para evitar que a água industrial seja despejada em tios ou canais com pH fora dos

limites estabelecidos, as empresas possuem unidades de tratamento onde o pH é

medido e controlado. A unidade de tratamento é composta por três tanques

subterrâneos. O primeiro é utilizado para precipitação de sólidos e o segundo e o terceiro

para controle de pH. No segundo tanque, o pH desejado é 6, mas devido à instabilidade

inerente ao processo, varia numa faixa de 4 a 10. No segundo tanque, o pH desejado é

7, variando entre 6,5 e 7,5.

A medição é feita através de peagâmetros, que transmitem um sinal proporcional ao pH

da água para um controlador. O sinal de saída do controlador é enviado

simultaneamente para uma válvula de controle de soda e outra de ácido.


SENAI194

AIC

AT

AE

Soda

Ácido

AIC

AT

AE

Soda

Ácido

Tanque 3Tanque 2Tanque 1

Água industrialde despejo

Esses peagâmetros não possuem sistemas de amostragem, pois os eletrodos de

medição, referência e compensação de temperatura são instalados em câmaras de

imersão. Essas câmaras permitem o contato direto dos eletrodos com a água industrial.


SENAI 195

Analisador por CondutividadeElétrica

Introdução

O analisador por condutividade elétrica, também denominado de condutivímetro, éutilizado para determinar a concentração de uma solução de composição conhecida,ou para detectar o grau de contaminação de uma solução sem, porém, indicar qual ocontaminante. Em determinados casos, esse analisador é empregado na detecção decontaminação de soluções orgânicas que apresentam moléculas polares, sem,contudo indicar sua concentração, devido à baixa sensibilidade.

O método de medição está baseado na maior ou menor capacidade de uma soluçãoem conduzir corrente elétrica. Como a condutividade elétrica de uma solução dependede todos os íons nela existentes, o condutivímetro é um analisador não específico.

Teoria de funcionamentoCondutividade elétrica

A condutividade elétrica de uma solução depende de sua concentração iônica(totalidade de íons) e de sua mobilidade. O estudo da condutividade envolve aspectosteóricos de velocidades iônicas e de atração entre os íons, que, por sua vez, sãoinfluenciados por outros fatores.

Por esse motivo, o estudo da condutividade, no momento, ficará restrito aos aspectospráticos que permitem caracterizar o sistema de medição. Medir condutividade elétricaé determinar a condutância específica de uma solução, definida como sendo acondutância medida entre as faces opostas de um cubo de 1cm de lado.A unidade de condutividade é o S/cm (S=Siemens), antigamente designado mho/cm.


SENAI196

As soluções de interesse prático apresentam condutividades que variam desdedécimos de µS/cm, até a ordem de S/cm, sendo mais usuais as medições de baixosvalores. a título de exemplo, é apresentada, na tabela 1, a condutividade elétrica dealgumas soluções.

Soluções Condutividade Elétrica

Água de elevada pureza 0,05 µS/cm

Água destilada 1 µS/cm

Água da rede pública 100 µS/cm

Solução de NaOH a 0,5% 1000 µS/cm

Solução de H2SO4 a 1% 50000 µS/cm

Tabela 1 - Condutividade elétrica de algumas soluções

Em soluções de baixa concentração, existe uma dependência praticamente linear entrea concentração e a condutividade elétrica, a qual varia também em função datemperatura. As curvas da figura 1 apresentam condutividade elétrica de algumassoluções diluídas a 18ºC.

Fig. 1 - Curvas de condutividade elétrica de algumas soluções


SENAI 197

Em altas concentrações, a função concentração/condutividade torna-se não linear,podendo até decrescer para concentrações elevadas, devido à redução da mobilidadeiônica. A figura 2 mostra a curva de variação da condutividade para algumas soluçõesconcentradas a 18ºC.

Fig. 2 - Curvas de condutividade elétrica de algumas soluções a 18ºC

Variação da condutividade elétrica em função da temperatura

A condutividade elétrica de uma solução de concentração constante varia diretamenteem função da temperatura, segundo uma função que é específica para cada solução.Para as mais variadas soluções, o fator que relaciona a condutividade elétrica com atemperatura está compreendido entre 1 a 3%ºC. O fator é aproximadamente constantepara soluções de temperaturas compreendidas entre 0 a 100ºC.

SOLUÇÕES FATORÁGUA 2%/OC

SAIS 2.1 a 3%/OC

ÁCIDOS 1 a 1,5 %/OC

BASES 1,8 a 2,2%/OC

Tabela 2 - Fator de variação da condutividade em função da temperatura, paraalgumas soluções.


SENAI198

A condutividade elétrica de soluções com baixa concentração na temperatura T écalculada segundo a expressão:

C = C [1 + F(T - 25)]T 25

onde:CT = condutividade elétrica na temperatura T (ºC)C25 = condutividade elétrica a 25ºCF = fatorT = temperatura da solução em medição (ºC)

Sistemas de medição

A condutividade elétrica é medida através dos seguintes tipos de sistemas de medição:sistema de medição com eletrodos; sistema de medição "eletrodeless".

Sistema de medição com eletrodos

Nesse sistema, o elemento sensor é denominado célula de condutividade comeletrodo. A célula de condutividade com eletrodo é montada em contato direto com asolução em medição.

É construída com eletrodos de geometria bem determinada, contidos em uma câmaraisolada que delimita a porção de fluido a ser medido. Isso torna o resultado da mediçãoindependente do volume total da amostra e das superfícies adjacentes.

Podemos definir como fator de célula a relação entre a condutividade específica dasolução e a condutividade medida pela célula. A resistência detectada pelo circuito demedição será função da condutividade da solução e do fator de célula. Esse fatordepende da geometria dos eletrodos.

Uma célula, conforme a geometria citada anteriormente, cujos eletrodos apresentam-se como faces opostas de um cubo com 1 cm de aresta, conforme mostrado na figura3, terá fator 1.


SENAI 199

Fig. 3 São usuais células com fatores entre 0,01 e 100.

Eventualmente, um elemento sensor de temperatura é montado próximo à célula decondutividade, permitindo uma compensação automática em função das variações detemperatura da solução medida.

Existem os mais variados circuitos de medição utilizados com célula de condutividadecom eletrodos.

A figura 4 mostra um circuito de medição para célula de condutividade com doiseletrodos. Compõe-se de um circuito sob forma de ponte Wheatstone, na qual éacoplada a célula em um dos braços. Uma fonte de tensão alternada alimenta ocircuito. A tensão alternada permite minimizar o efeito de polarização dos eletrodos.

Fig. 4 - Circuito de medição para célula de condutividade com dois eletrodos


SENAI200

A freqüência dessa tensão é determinada em função da natureza da solução emmedição. Para soluções com baixa condutividade (água destilada), utiliza-se baixafreqüência (60Hz), enquanto que, para soluções com alta condutividade (H2SO4 a 1%),emprega-se alta freqüência (1000 Hz).

Essa técnica permite minimizar os efeitos reativos na célula devido à alimentação detensão alternada.

Os resistores R1, R2 e R3, convenientemente dimensionados, determinarão a faixa demedição do analisador.

O desequilíbrio elétrico da ponte é dado pela condutividade elétrica da solução, que émedida pelo galvanômetro A, cuja escala é graduada em unidade de condutividadeelétrica.

Sistema de medição "eletrodeless"

O sistema de medição "eletrodeless" (sem eletrodo) emprega um tipo de sensor,denominado de célula de condutividade "eletrodeless". Esse sistema utiliza o princípioda indução eletromagnética em um circuito eletrolítico, que constitui um elo fechado. Oprincípio de funcionamento está esquematizado na figura 5, onde no interior do eloestá contida a solução em medição. Essa mesma corrente que circula pelo núcleo doenrolamento secundário induz neste uma tensão, cuja amplitude é proporcional àcondutividade da solução em medição.

Fig.5 - Sistema de medição "eletrodeless"


SENAI 201

A realização prática desse tipo de medição permite que a solução sejapermanentemente renovada dentro da célula de condutividade “eletrodeless",conforme é mostrado na figura 6.

A principal vantagem dessa célula é não possuir eletrodos e, portanto, não apresentaros problemas associados à célula com eletrodos, tais como polarização e manutençãodas superfícies dos eletrodos.

Fig. 6 - Realização prática de um sistema de medição "eletrodeless"

A célula de condutividade "eletrodeless" é especialmente aplicada para medição esoluções abrasivas, pastosas ou contendo fibras.

Elementos do analisador com células tipo eletrodo

Os analisadores de condutividade elétrica são compostos, normalmente, por umacélula e um transmissor. As células são construídas para operar até determinadosvalores de pressão e temperatura. Normalmente esses valores são 15 kg/cm2 e 150ºC.

Estas células, usualmente, apresentam-se montadas em poços de proteção parainserção direta no processo, dispensando dispositivos especiais de montagem. A figura7 nos mostra uma célula com poço de inox.


SENAI202

Fig.7 - Célula em poço de inox com rosca direta ao processo

Em determinados casos, as células poderão ser inseridas em câmaras de imersão oude fluxo. O transmissor de condutividade é essencialmente um condutivímetro ouresistivímetro provido de um indicador local, um transmissor de sinal e contatos dealarme.

A célula de condutividade é alimentada com tensão alternada de baixo nível e amedição efetuada por meio de um circuito em ponte, ou um circuito constituído poramplificadores operacionais.

O indicador pode possuir escalas lineares, graduadas em condutividade (µS), ou eminstrumentos antigos, graduados em resistividade (ΩC).

Apresentamos a seguir, duas escalas equivalentes, com a conversão:

0 2,5 5,0 7,5 10,0

µS/cm

0 400 200 133,3 100kΩ . cm

10 110 10

10 10065µS / cm 100k cm

Sk→ •

•= =

−Ω Ω Ω


SENAI 203

Assim, afirmar para fins de controle de pureza que a resistividade está acima de400kΩ.cm, equivale que sua condutividade está abaixo de 2,5 µS/cm.

Aplicação

Os analisadores de condutividade elétrica destinam-se, em muitos casos, àdeterminação da concentração de uma solução de composição conhecida ou àdetecção do grau de contaminação de uma solução, sem, porém, indicar qual ocontaminante.

Seu campo de aplicação vem se expandindo, sendo empregado na medição e controlede pureza de água, dureza de água de alimentação de caldeiras, condutividade deágua em caldeiras elétricas, concentração de ácidos ou álcalis, etc.


SENAI204

Fig. 8 - Aplicação de analisador de condutividade em caldeiras elétricas


SENAI 205

Exemplo de aplicação

A pressão de vapor gerada na caldeira elétrica, mostrada na figura 8, é controlada poruma malha, cujo elemento final é um motor que posiciona a camisa do spray (jato) deágua.

Esse controle depende da condutividade da água utilizada. A condutividade dessaágua deve ser mantida entre, aproximadamente, 2700µS e 3900µS, para que oposicionamento da camisa seja efetuado numa região central do tubo spray (jato), afim de se ter uma maior estabilidade e rangeabilidade no controle de pressão.

O controle de condutividade elétrica da água é feito da seguinte forma: através de umcondutivímetro, é enviado um sinal; para um controlador tudo ou nada com zonadiferencial; esse controlador possui duas saídas distintas - uma atua sobre uma válvulade dreno da água do tanque e a outra atua sobre essa mesma válvula de drenos emais uma bomba de injeção de soda.

Quando a condutividade atinge valores maiores que 3900µS, a válvula de dreno dotanque é aberta, durante um certo tempo, fazendo com que parte da água do tanqueseja drenada. Uma malha de controle de nível do tanque recupera o nível através daágua de alimentação, reduzindo a condutividade até os limites considerados, uma vezque a água de alimentação possui uma condutividade menor que 3900µS.

Quando a condutividade, dentro da caldeira elétrica, atinge valores menores que2700µS, a válvula de dreno é aberta, durante um certo tempo, fazendo com que parteda água do tanque seja drenada. Ao mesmo tempo, uma bomba de injeção de soda éenergizada, colocando na água de alimentação uma certa quantidade de soda.Quando a malha de controle de nível repõe a água do tanque através da água dealimentação, esta última possui, por causa da soda, uma condutividade elétrica maiorque 2700µS. Isto faz com que a condutividade da água do tanque se eleve até oslimites estabelecidos.



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Analisador de Oxigênio

Os medidores de oxigênio modelos 7001D e 7002D consiste de um sensor de oxigênioamperométrico e uma unidade amplificadora, interconectados por um cabo shieldmulti-vias. O sensor responde conforme a pressão parcial de oxigênio dissolvido. Oamplificador condiciona o sinal do sensor, provendo uma indicação do oxigêniodissolvido em unidades de engenharia apropriadas.

Os parágrafos seguintes descreve os maiores fatores envolvidos na medição econcentração do oxigênio dissolvido. O item 1 descreve a teoria relevante daeletroquímica e no item 2 descreve os aspectos práticos da medição.

1. Teoria da eletroquímica

1.1 Sensor de oxigênio dissolvido

O sensor é uma membrana coberta por um detector amperométrico. Ele consiste deuma membrana; um cátodo de ouro, um ânodo de prata, e a solução eletrolítica(cloreto de potássio).A membrana, que se estende firmemente sobre o cátodo de funcionamento, é gáspermeável.

O oxigênio dissolvido na amostra se espalha pela membrana até o fino filme deeletrólito entre a membrana e o cátodo. Uma vez no filme de eletrólito, o oxigênio seespalha na superfície do cátodo, onde uma tensão polarizada aplicada no cátodo reduzo oxigênio a hidróxido. Os elétrons requeridos pela a reação vêm do ânodo de prata.Assim, como o eletrodo opera, o ânodo é oxidado para cloreto para de prata.

Devido a concentração de oxigênio no sensor estar praticamente zero, um gradientede concentração continuamente força o oxigênio da amostra pela membrana e até osensor onde ela é reduzida.


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A corrente produzida pela reação eletroquímica no sensor é diretamente proporcional àconcentração de oxigênio dissolvido na amostra.A medição é relativamente livre de interferências. A membrana permite apenas apassagem de gases, e potenciais de sólidos dissolvidos que poderiam causarinterferências fica fora do sensor.

A sensibilidade do sensor de oxigênio, cuja a corrente produzida por unidade deconcentração, é aproximadamente 2.5 µA/ppm.

Vários desenhos característicos do sensor influencia a sensibilidade. A sensibilidade édiretamente proporcional a área efetiva do cátodo e a permeabilidade da membrana eé inversamente proporcional a densidade da membrana e o filme de eletrólito.A escolha de membrana e o desenho do sensor essencialmente fixam a densidadeda membrana e o filme de eletrólito.

Variações na superfície rugoso do cátodo de ouro produzem uma variação de 10 a20% na sensibilidade.

A temperatura também influencia na sensibilidade. A permeabilidade da membranaaumenta em +3% para cada ºC de temperatura. A permeabilidade aumentada permitemais moléculas de oxigênio se espalhar pela membrana a ser reduzida ao cátodo.

Assim, a corrente (e a concentração de oxigênio aparente) aumenta mesmo que aconcentração atual não mudou. Felizmente, a mudança na permeabilidade damembrana com a temperatura é previsível, e o analisador pode compensá-laprontamente.

A limpeza da superfície da membrana e o fluxo de líquido pelo sensor tambémafetam a sensibilidade.

Uma falha ou uma membrana suja terá uma menor sensibilidade ou, pelo menos, temum tempo de resposta mais lento do que uma membrana limpa porque infringindo asregras impede a passagem de oxigênio pela membrana.

A influência do fluxo em relação à sensibilidade se deve, porque o analisador consomeo oxigênio que mede. Então, para manter a corrente, novas amostra de oxigênio temque fluir pela membrana.Se o fluxo de amostra for inadequado, a leitura será baixa.


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1.2 Principio de funcionamento

Quando o sensor é colocado no processo corrente, a tensão é aplicada através docátodo e ânodo, fig. 1. O oxigênio no processo corrente se difunde através damembrana e é reduzido ao cátodo, gerando como resultado uma corrente elétricaproporcional ao oxigênio da amostra sob pressão parcial.

Quando o oxigênio não esta presente, essencialmente não existe corrente elétrica nosensor. Uma pequena corrente elétrica pode aparecer no sensor. Esta não estarelacionada ao sinal de concentração de oxigênio externo da amostra e pode sereliminada através do ajuste de “Zero” (R 52). Quando o oxigênio está presente, acorrente elétrica é conforme a curva característica particular do sensor de oxigênio edo potencial aplicado nos eletrodos. O valor da corrente elétrica depende do oxigêniodissolvido na amostra sob pressão parcial. Para zerar o residual do sensor énecessário fazer purga com gás de nitrogênio.

1.3 Equilíbrio do Sensor

Com relação ao equilíbrio do sensor em uma amostra corrente, o oxigênio se espalhaatravés da membrana e é reduzido no cátodo. Simultaneamente em igual quantidadede oxigênio é gerado no ânodo. A difusão contínua em unidades de oxigênio sobpressão parcial em ambos os lados da membrana é igual ao balanço existente. Atravésde um circuito elétrico externo, a corrente elétrica necessária para manter o equilíbrio éconvertida em uma indicação da concentração de oxigênio dissolvido na solução.

As equações de redução/oxidação são as seguintes:

Reação de Redução no Cátodo: O2 + 4H+ + 4e- 2H2OReação de Oxidação no Ânodo: 2H2O O2 + 4H+ + 4e-

Desde que a reação não fique retida, nem a velocidade do fluxo ou sujeiras afetam aexatidão da leitura.


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Fig. 1 Sensor de Oxigênio

2 Aspectos práticos na medição de Oxigênio dissolvido

2.1 Variáveis que influenciam na medição

A medição de oxigênio dissolvido é influenciada pela pressão atmosférica, umidade (ardurante a calibração), temperatura da amostra, presença de gases contaminantes e acomposição do meio liquido.

Pressão Atmosférica

A velocidade de difusão do oxigênio através da membrana do sensor, ou seja aresposta do sensor, é linear com o respectivo oxigênio sob pressão parcial (assumindotemperatura constante da amostra.

Com pressão atmosférica normal ao nível do mar de 760 mmHg (101,04 kPa), apressão parcial do oxigênio no ar seco é 160 mmHg (21,2 kPa). A variação da pressãoatmosférica varia a pressão parcial do oxigênio proporcionalmente.Consequentemente, a solubilidade do oxigênio na água varia em proporção a mudançada pressão parcial do oxigênio no ar.Portanto a pressão atmosférica e fator significante na calibração do instrumento.


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Umidade

Na calibração do medidor de oxigênio dissolvido, um método é a exposição do sensorem amostra de gases, tipicamente o ar seco, de reconhecida exatidão da quantidadede oxigênio. O conhecimento dos valores de concentração de oxigênio do gases érelacionado com os correspondestes valores de oxigênio dissolvido.

Desde que o volume de ar seco contenha 20,95 % de oxigênio, sem levar emconsideração a pressão atmosférica, a pressão parcial do oxigênio é diretamenteproporcional a pressão atmosférica total, conforme lei de Dalton’s de pressão parcial.Assim para ar seco, se a pressão atmosférica total for conhecida, a pressão parcial dooxigênio pode ser calculada.

De qualquer forma este procedimento é valido somente para ar seco. A umidade do arcausa o efeito de redução da pressão parcial do oxigênio e de outros gases no ar semafetar a pressão atmosférica total. Outra forma de expressar essa relação é a equaçãoa seguir:

P(atm) = P(gás) + P(oxigênio) + P (água)

Onde:P(atm) = pressão atmosférica totalP(gás) = pressão parcial de todos os gases que tenham oxigênio e vapor de

água.P(oxigênio) = pressão parcial do oxigênioP(água) = pressão parcial do vapor de água

Assim, para pressão atmosférica constante, se a umidade do ar não é zero, o valor dapressão parcial do oxigênio é menor que no ar seco. Para a maioria das medições comtemperatura abaixo de 26,7o C, o efeito do vapor de água pode ser ignorado.

Na pressão atmosférica de 760 mmHg, a pressão parcial do oxigênio no ar seco é deaproximadamente 160 mmHg.

Para determinar a pressão parcial de oxigênio no ar para vários níveis de umidade epressão atmosférica, a pressão parcial da água é subtraída da pressão atmosféricatotal; a diferença é multiplicada por 20,95%.


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Exemplo

Pressão atmosférica = 740 mmHg (98,5 kPa)Pressão parcial da água = 20 mmHg (2,7 kPa)Pressão parcial do oxigênio = (740-20) x 0,2095 = 150 mmHg (19,95 kPa)

Temperatura da Amostra

A temperatura da amostra afeta a resposta do sensor de duas formas:

1. Velocidade de difusão do oxigênio através da membrana do sensor .A velocidade de difusão do oxigênio através da membrana do sensor varia com atemperatura, com um coeficiente de aproximadamente +3% por graus Celsius,provocando alteração na corrente elétrica do sensor. Para a compensação o sensorincorpora um termistor com coeficiente de temperatura negativo. A temperatura daamostra aumenta, a resistência do termistor diminui, reduzindo o ganho do circuito,assim provê uma compensação efetiva da temperatura para uma faixa de 0o C a 44o C.

2. Solubilidade do Oxigênio no meio liquido.

Em um liquido com oxigênio saturado, a pressão parcial do oxigênio dissolvido é iguala pressão parcial do oxigênio da atmosfera sobre o liquido. Esta relação permaneceverdadeira, independente da concentração de oxigênio em partes por bilhão de massa.Com o aumento da temperatura da amostra, a pressão parcial do oxigênio permaneceinalterada (exceto as influencias da pressão de vapor do liquido). De qualquer forma aconcentração de oxigênio dissolvido em partes por bilhão de massa é reduzida. Paracompensar essas mudanças na solubilidade do oxigênio dependentes da temperatura,um segundo termistor é incorporado ao sensor para ajustes do ganho do circuitoelétrico.

Gases contaminantes dissolvido

Gases com índice de redução ou oxidação de aproximadamente 0,75 VDC, e assimalteram a corrente do sensor, podem causar erro de leitura. Só alguns gases tem essacaracterística. Gases comuns que deveriam ser evitados incluem SO2, CL2 e oxidos denitrogênio. Baixos níveis de concentração de hidrogênio sulfídico tende a contaminar o


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sensor, porém não seriamente, sem afetar a medição de oxigênio dissolvido. Secontaminado a recarga do sensor dever ser rejuvenescida. Para sensores nãorecarregáveis, o mesmo deve ser substituído se contaminado.

Composição do meio liquido

Uma significante mudança na composição da solução pode mudar a solubilidade dooxigênio. Se o solvente for água, a adição de qualquer componente solúvel em águacomo cloreto de sódio pode mudar a concentração de oxigênio dissolvido.

Em qualquer sistema de equilíbrio aberto onde um gás de oxigênio constante àpressão parcial em contato direto com uma solução salgada, a solubilidade do oxigêniodiminui e a salinidade aumenta. Isto diminui a concentração de oxigênio dissolvido empartes por milhão de massa, porém não afeta a pressão parcial do oxigênio nasolução. O medidor de oxigênio responde somente a oxigênio com pressão parcial , edessa forma não indica as mudanças em concentração do oxigênio.

2.2 Inter-relação das unidades de medição

Embora os sensores respondam com a pressão parcial do oxigênio, o instrumento demedida para oxigênio dissolvido é normalmente em outras unidades, Ex., partes porbilhão ou partes por milhão de massa (µg/litro ou mg/litro), ou percentual de saturação.Quando a relação entre essas unidade é de claro entendimento, o instrumento podeser calibrado na unidade apropriada de aplicação.

Na calibração para medição de oxigênio dissolvido, um método de exposição dosensor em amostras de gases, é tipicamente o ar seco, com exatidão conhecida doconteúdo de oxigênio. O conhecimento dos valores de concentração de oxigênio dosgases está relacionado com os correspondentes valores de oxigênio dissolvidos.

Ar seco é uma mistura de gases que contém aproximadamente 21% de oxigênio porvolume, sem levar em consideração a pressão atmosférica. A pressão total dequalquer mistura de gases é somatória das pressões parciais de seus várioscomponentes. A mudança da pressão atmosférica no ar seco não altera a relaçãopercentual de seus vários componentes, porém altera a pressão parcial e assim aindicação do instrumento.


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Normalmente a pressão atmosférica ao nível do mar é de 760 mmHg e a pressãoparcial do oxigênio no ar seco é de 160 mmHg.

Então 160 x 100 = 21%760

Normalmente a indicação de oxigênio dissolvida é em partes por bilhão ou partes pormilhão de massa (µg/litro ou mg/litro respectivamente); Entretanto em muitasaplicações a indicação em percentual de saturação é mais significante, desde que aconcentração de oxigênio dissolvido na solução varie com a temperatura.

2.3 Indicação do Oxigênio dissolvido em partes de massa

Em água quase pura, os medidores mods. 7001D e 7002D provê leitura direta dooxigênio dissolvido em partes por bilhão ou partes por milhão, respectivamente, naindicação do instrumento compatível com a tabela de dados da STANDARDMETHODS FOR EXAMINATION OF WATER da American Health Association.

A fig. 2 mostra o efeito da temperatura da amostra na solubilidade de oxigênio no clorolivre da água, quando exposto ao ar úmido à uma pressão total de 760 mmHg (101,04kPa) e pressão do oxigênio de 160 mmHg (21,3 kPa). Se a pressão total é acima de760 mmHg (101,04 kPa), o fator de correção deve ser aplicado para curva, de acordocom a seguinte equação:

S´ = S P = S P´ = S P´´ 760 29,92 101,3

Onde:

S = Solubilidade a 760 mmHg, 29,92 “Hg ou 101,04 kPaS´= Solubilidade a P, P´, ou P´´P = Pressão atmosférica em mmHgP´= Pressão atmosférica em “HgP´´= Pressão atmosférica em kPa


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Em água que contenha cloro, a indicação deve ser corrigida conforme dados da tabelaSTANDARD METHODS FOR EXAMINATION OF WATER para vários graus desalinidade. Vide Fig. 3

Fig. 2 Solubilidade do oxigênio em ar úmido em função da temperatura

2.4 Indicação de oxigênio dissolvido em percentual de saturação

Em alguma aplicações envolvendo o mod. 7002D a concentração de oxigêniodissolvido em partes por milhão de massa pode sofrer variação apreciável por causada variação de temperatura. Nessas aplicações, a indicação em percentual desaturação pode ser mais significante. Este método provê indicação de oxigêniodissolvido em porcentagem de concentração de oxigênio que a amostra liquidaconteria se completamente saturada de ar.

A pressão parcial de oxigênio dissolvido é igual à pressão parcial de oxigênio gasosona atmosfera em contato com o liquido. Como a temperatura da amostra aumenta, a


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concentração de oxigênio dissolvido em partes por milhão de massa (mg/litro) diminui.Entretanto o liquido é ainda saturado de oxigênio. Para altas temperatura pode sernecessário considerar a pressão parcial do liquido em evaporação.

Fig. 3 - Solubilidade do oxigênio na água para vários graus de salinidade

Curvas similares a da Fig. 3 e Fig. 2 podem seu usadas para mostrar a relação entre aconcentração de oxigênio dissolvido em partes por milhão de massa (mg/litro) e atemperatura da solução para uma solução de oxigênio saturada. Curvas similarespodem ser desenhadas para líquidos desde que a saturação esteja abaixo de 100%.Curvas também podem ser desenhadas para vários valores de temperatura daamostra, mostrando a relação linear entre o percentual de saturação e a concentraçãode oxigênio dissolvido em partes por milhão de massa (mg/litro).


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Analisadores de Oxigênio eoutros

Sensor de cloro livre

O sensor de cloro livre Modelo 499A CL é projetado para uso com o Modelo 1054B CLAnalisador de Cloro Residual Livre. O conjunto analisador/sensor mede automática econtinuamente a concentração de cloro livre em água. O cloro livre está definido comoa soma das concentrações de ácido de hipoclorídrico (HOCl) e ácido de íon hipoclorito(OCl-) expressado como cloro (Cl2). Devido ao ácido de hipoclorídrico ser um ácidofraco, a quantidade relativa de cada tipo, (HOCl e OCI-) depende do pH e menos dainfluência da temperatura. Como o pH aumenta, a fração de hipoclorito aumenta e afração de ácido hipoclorídrico diminui. A concentração total de cloro livre permanececonstante.

O sensor é uma membrana coberta por um detector amperométrico. Ele consiste deuma membrana, um cátodo de platina, um ânodo de prata, e solução eletrolítica(cloreto de potássio).

A membrana, que tem uma propriedade de microporos de polímero que se estende aolongo do cátodo. Devido a membrana ser hidrofílica, ela permite a passagem de ambosácido hipoclorídrico e íon de hipoclorito (assim como outras substâncias dissolvidas naamostra) para dentro de uma fina camada de eletrólito na superfície do cátodo. Umavez no filme de eletrólito, o ácido hipoclorídrico e hipoclorito espalham-se na superfíciedo cátodo na qual uma tensão polarizada aplicada no cátodo reduz o ácidohipoclorídrico a cloreto.

Os elétrons requeridos para a reação partem do ânodo de prata. Então, como o sensoropera, o ânodo é oxidado para cloreto de prata. Devido à concentração de ácidohipoclorídrico na superfície do cátodo ser praticamente zero, um gradiente deconcentração continuamente força o ácido hipoclorídrico da amostra no sensor onde


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está reduzido. A corrente produzida pela reação eletroquímica no sensor éproporcional à concentração de cloro livre na amostra.Embora o sensor reduz apenas ácido hipoclorídrico, a corrente produzida para umadeterminada concentração de ácido de hipoclorídrico é maior que se esperava. A razãoé a conversão de hipoclorito a ácido hipoclorídrico no sensor. Cloro livre é uma misturae equilibrada de ácido de hipoclorídrico e hipoclorito. Enquanto o sensor opera, eleconsome o ácido hipoclorídrico, alterando o equilíbrio e causando a conversão dohipoclorito ao ácido hipoclorídrico. O ácido hipoclorídrico assim produzido e reduzidono cátodo, tornando a corrente maior do que o valor expressado da concentraçãoequilibrada.

Devido à conversão de hipoclorito em ácido hipoclorídrico no sensor não estácompleta, a sensibilidade (corrente gerada por ppm de cloro livre) não é constante,mas cai com o aumento de pH. A sensibilidade do sensor 499 A CL é deaproximadamente 250 nA/ppm a um pH 7 e vestígios de aproximadamente 50 nA/ppma pH 9.5. O analisador compensa automaticamente a mudança na sensibilidade compH. Embora o analisador responda bem a mudanças graduais em pH, uma mudançade passo normalmente produz uma mudança súbita na leitura do cloro seguida por umajuste gradual para o valor final. Normalmente, vários minutos são necessários parauma nova leitura de cloro após uma mudança no pH.

A temperatura também influencia a sensibilidade. A permeabilidade da membranaaumenta 3% aproximadamente para todo aumento de temperatura de graus Celsius. Oaumento da permeabilidade permite que mais cloro livre (HOCI e OCI-) passe atravésda membrana a ser reduzida ao cátodo. Então, a atual e aparente concentração decloro livre aumenta cada vez que a concentração de cloro livre não mudou. A mudançana permeabilidade da membrana com a temperatura é previsível, e o analisador podecompensa essa leitura. O analisador também compensa os efeitos da temperatura nasquantidades relativas de acido hipoclorídrico e o íon de hipoclorito presente emqualquer pH.

A limpeza da superfície da membrana e o fluxo do líquido que passa pelo sensortambém afetam a sensibilidade. Um sensor com uma membrana danificada e suja temmenor sensibilidade do que um senso com uma membrana limpa. A vazão Influencia asensibilidade pois o analisador consome o cloro que mede. Então, para manter acorrente, novas amostras de cloro devem ser continuamente alimentadas na superfícieexterna da membrana. Se a vazão da amostra e inadequada, leituras de cloro serãobaixas.


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Sensor de oxigênio dissolvido

O sensor 499A D0 - é projetado para uso com o modelo 1054B Analisador de oxigêniodissolvido. Junto, o sensor/analisador rodando automaticamente e continuamentemede a concentração de oxigênio dissolvido em solução aquosa.

O sensor é uma membrana coberta por um detector amperométrico. Ele consiste deuma membrana; um cátodo de ouro, um ânodo de prata, e a solução eletrolítica(cloreto de potássio).

A membrana, que se estende firmemente sobre o cátodo de funcionamento, é gáspermeável.

O oxigênio dissolvido na amostra se espalha pela membrana até o fino filme deeletrólito entre a membrana e o cátodo. Uma vez no filme de eletrólito, o oxigênio seespalha na superfície do cátodo, onde uma tensão polarizada aplicada no cátodo reduzo oxigênio a hidróxido. Os elétrons requeridos pela a reação vêm do ânodo de prata.Assim, como o elétrodo opera, o ânodo é oxidado para cloreto para de prata.

Devido de a concentração oxigênio no sensor esta praticamente zero, um gradiente deconcentração continuamente força o oxigênio da amostra pela membrana e até osensor onde ela é reduzida.

A corrente produzida pela reação de eletroquímica no sensor é diretamenteproporcional à concentração de oxigênio dissolvido na amostra.A medição é relativamente livre de interferências. A membrana permite apenas gasesatravessem-na. Então, ela mantém interferências potenciais de sólidos dissolvidos forado sensor.

A sensibilidade do sensor de oxigênio, cuja a corrente produzida por unidade deconcentração, é aproximadamente 2.5 A/ppm.

Vários desenhos característicos do sensor influencia a sensibilidade. A sensibilidade édiretamente proporcional a área efetiva do catodo e a permeabilidade da membrana eé inversamente proporcional a densidade da membrana e o filme de eletrólito.A escolha de membrana e o desenho do sensor essencialmente fixam a densidadeda membrana e o filme de eletrólito.


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Variações na superfície rugoso do cátodo de ouro produzem uma variação de 10 a20% na sensibilidade.

A temperatura também influencia na sensibilidade. A permeabilidade da membranaaumenta em 4% para cada aumento em ºC na temperatura. A permeabilidadeaumentada permite mais moléculas de oxigênio para espalhar pela membrana a serreduzida ao cátodo.

Assim, a corrente (e a concentração de oxigênio aparente) aumenta mesmo que aconcentração atual não mudou. Felizmente, a mudança na permeabilidade damembrana com a temperatura é previsível, e o analisador pode compensá-laprontamente.

A limpeza da superfície da membrana e o fluxo de líquido passado pelo sensortambém afetam a sensibilidade.

Uma falha ou uma membrana suja terá uma menor sensibilidade ou, pelo menos, temum tempo de resposta mais lento do que uma membrana limpa porque infringindo asregras impede a passagem de oxigênio pela membrana.

A influência do fluxo em relação à sensibilidade se deve, porque o analisador consomeo oxigênio que mede.Então, para manter a corrente, novas amostra de oxigênio temque fluir pela membrana.

Se o fluxo de amostra for inadequado, a leitura será baixa.

Sensor de ozônio

O modelo 499A é um sensor projetado para usar com o modelo 1045 B Analisador deOzônio Dissolvido.

O analisador e o sensor voltam juntos automaticamente e continuamente a medir aconcentração de ozônio dissolvido em solução aquosa.

O sensor é uma membrana coberta por um detector amperométrico. Consiste em umamembrana de teflon; um catodo de ouro, um anodo de prata, e uma solução eletrolítica(brometo de potássio). A membrana, que se estende firmemente em cima do catodo, é


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um gás permeável. O ozônio dissolvido na amostra se espalha pela membrana no finofilme de eletrólito entre a membrana e o catodo. Uma vez que no filme de eletrólito, oozônio se espalha na superfície do catodo, onde a tensão de polaridade aplicada nocatodo reduz o ozônio para oxigênio.

O atual mecanismo é provavelmente um pouco mais complicado, envolvendo a reaçãoentre o ozônio e o recheio da solução para um produto intermediário isso é reduzindo.Os elétrons requeridos para a redução provêem do anodo de prata.

Assim, como o sensor opera, o anodo é oxidado para prata de brometo.Porque a concentração do ozônio no sensor é praticamente zero, um gradiente deconcentração força continuamente o ozônio da amostra para a membrana dentro dosensor.

A corrente produzida pela reação química no sensor é diretamente proporcional àconcentração de ozônio na amostra.

A medida é relativamente livre de interferências. Por que a membrana permite somentegases para espalhar por isso, potencialmente interferindo, dissolvendo sólidos émantido o posto do sensor.

O oxigênio faz espalhar pela membrana e é uma possível interferência.Porem, a voltagem polarizada é tal, que oxigênio não está reduzido ao catodo, e fazcom que não interferira.

A sensibilidade do sensor de ozônio, isso é, a corrente produzida por unidade deconcentração de ozônio, é aproximadamente 200 nA /ppm. Vários desenhoscaracterísticos do sensor influenciam em sua sensibilidade. A sensibilidade édiretamente proporcional à área da superfície do catodo e a permeabilidade damembrana e é inversamente proporcional pela densidade da membrana e o filme deeletrólito. A escolha da membrana e do desenho do sensor, essencialmente fixam adensidades da membrana e o filme de eletrólito.

Variações na aspereza da superfície do catodo produz uma variação em suasensibilidade de 10 a 20%.

A temperatura também influencia na sensibilidade. A permeabilidade da membranaaumenta cerca de 4%, para cada ºC de elevação na temperatura. Aumentando a


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permeabilidade permite mais moléculas de ozônio para espalhar pela membrana serreduzido ao catodo.

Assim, a corrente (e a concentração de ozônio aparente) aumentos até mesmo emboraa atual concentração de ozônio feita, não mude.

Felizmente, a mudança na membrana permeável com a temperatura é previsível, e oanalisador é programado para compensar por isso.

A limpeza na superfície da membrana, e o fluxo do liquido passado pelo sensortambém afeta em sua sensibilidade.

Um sensor com a membrana suja inflige as regras, ou tem sua sensibilidade abaixadae a resposta será mais lenta que com a membrana limpa porque a sujeira impede apassagem de oxigênio pela membrana.

O fluxo influencia na sensibilidade, porque o analisador consome o oxigênio que elemede. Então para sustentar a corrente, a amostra de oxigênio deve ser continuamentenova, provido para a membrana.

Se o fluxo de amostra é inadequado, as leituras de ozônio serão baixas.

5.3 SENSOR DE OZONIO

O modelo 499A OZ é desenhado para ser usado com o modelo 1054D Analisador deoxigênio dissolvido. Junto, o analisador e o sensor voltam automaticamente econtinuamente a concentração de medida para dissolver em soluções aquosas.

O sensor é uma membrana coberta por um detector amperométrico. Consistem emuma membrana de teflon, um catodo de ouro, em anodo de prata, e uma soluçãoeletrolítica (brometo de potássio). A membrana, a qual estende-se firmemente sobre ocatodo, é um gás permeável. O ozônio dissolvido na amostra difunde pela membranaatravés do fino filme de eletrólito entre a membrana e o catodo.

Uma vez que no filme de eletrólito, o ozônio difunde a superfície do catodo, onde apolarização de tensão aplicada no catodo reduz o ozônio para oxigênio


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5.4 – MEDIDA DE TEMPERATURA

Sensores compatíveis com o modelo 1054A e o 1054B analisador amperométricoutiliza 100 OHM de platina RTDs para compensação de temperatura.

O RTD é conectado em um circuito com três arames, como mostra na figura 5-1.

O circuito com três arames, permite a correção da resistência dos arames dianteiros, epara mudanças na resistência dos arames com a temperatura.

A resistência para o RTD é calculada subtraindo a resistência entre o RTD e o terra e osentido conduzido forma uma resistência entre o RTD e a conduz ao terra.

Sensores para uso com instrumentos Delta usam termistores.

Termistores tem resistência razoavelmente alta – Sensores compatível o equipamentoDelda usam termistores 3K e 5K.

A resistência dianteira, que é no Maximo alguns Ω principal forma de erro, e umaconexão de três arames para corrigir resistências dianteiras não necessárias.

RTD ground

RTD sense

RTD in


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Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”Campinas – S.P.

Anexo

metrologia

1

Conjunto de conhecimentos científicos etecnológicos abrangendo todos os aspectosteóricos e práticos relativos às medições.

A Ciênciada

Medição

do grego:metron - medidalogos - ciência

♦Padrões baseados no corpo humano: mão,

palmo, pé

♦Primeiro padrão: Cúbito Real Egípcio (faraó

Khufu, ano 2900 a.C.)

♦Rei Eduardo I, Inglaterra, 1305♦ polegada = 3 grãos de cevada

♦padrão adotado pelos sapateiros

♦Final do século XVIII

♦Academia de Ciências de Paris: sistema

decimal de medidas que fosse adotado por

todas as nações

♦Metro: 0,1 x 10-6 da distância entre o Pólo Norte e

a linha do Equador, ao longo do meridiano do

Laboratório de Paris

♦Unidade de massa: peso de 1 dm3 de água

2

♦Final do século XVIII (continuação)

♦Unidade de volume: 1 dm3 = 1 litro

♦1799: metro materializado (barra de platina]

♦1799: padrão para o quilograma (cilindro de

platina)

♦Padrões vigoraram por mais de 90 anos

♦1875: Convenção Internacional do Metro

♦1960: Sistema Internacional de Unidades - SI

♦Brasil

♦1862: adotado sistema métrico francês

♦1938: utilização obrigatória do Sistema Métrico

Decimal

♦1961: criação do INPM e adoção do SI no Brasil

♦1973: criação do INMETRO

GRANDEZA DEFINIÇÃO SÍMBOLO

Comprimento O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luzno vácuo, durante o intervalo de tempo de1/(299.792.458) de segundo.

m

Massa O quilograma é a unidade de massa igual à massa doprotótipo internacional do quilograma.

kg

Tempo

O segundo é a duração de 9.192.631.770 períodos daradiação correspondente à transição entre dois níveishiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.

s

Intensidade deCorrente Elétrica

O ampère é a intensidade de uma corrente elétricaconstante que, mantida entre dois condutores paralelos,retilíneos, de comprimento infinito, de seção circulardesprezível e situados à distância de 1 metro entre si, novácuo, produz entre estes condutores uma força igual a2x10-7 newton por metro de comprimento.

A

TemperaturaTermodinâmica

O kelvin é a fração 1/(273,16) da temperaturatermodinâmica do ponto tríplice da água.

K

IntensidadeLuminosa

A candela é a intensidade luminosa, numa direção dada,de uma fonte que emite uma radiação monocromática defreqüência 540x1012 hertz e cuja intensidade energéticanaquela direção é de 1/683 watt por esterradiano.

cd

Quantidade deMatéria

O mol é a quantidade de matéria de um sistemacontendo tantas entidades elementares quanto átomosexistem em 0,012 kg de carbono 12.

mol

Sistema Internacional - UNIDADES BASE

3

UNIDADES SI

GRANDEZAS NOME SÍMBOLO

Superfície metro quadrado m2

Volume metro cúbico m3

Velocidade metro por segundo m/s

Aceleração metro por seg. ao quadrado m/s2

Massa específica quilogr. por metro cúbico kg/m3

Volume específico metro cúbico por quilog. m3/kg

Freqüência hertz Hz

Força newton N

Pressão pascal Pa

Energia, trabalho, quant. calor joule J

Potência, fluxo energético watt W

Tensão elétrica volt V

Resistência elétrica ohm Ω

Temperatura Celsius grau celsius oC

SI - UNIDADES DERIVADAS

Aspectos positivos para a utilização do SI:• facilidade, em nível nacional einternacional, na troca e entendimentodas informações nas relaçõescomerciais e científicas;

• demonstração de maturidadetécnica e científica, pelo abandono desistemas superados ou em desuso;

Controle e medição dosalimentos e produtosindustrializados e/ou

comercializados.

4

Taxímetro: medição dovalor da tarifa.

Medição daquantidade decombustível.

Medição dahora.

Medição do consumo deenergia elétrica e dasligações telefônicas.

Equipamentos e instrumentosutilizados na medição e controleda saúde do cidadão.

5

y Suporte para tecnologia e métodos de produção eficiente

y Quantificação e avaliação de transações comerciais

y Transferência de tecnologia e inovação

y Intercambialidade de sistemas e de produtos

y Proteção para o consumidor

y Saúde e segurança para a sociedade

Medidas imprecisas acarretam desperdício, baixaqualidade e altos custos.

CAM PO PR O D U T O D EPE N DÊ N CIA D O T AM AN HO DA PAR T ÍCU LAláp is lab ia l g rau de b rilho e capacidade de cobertu ra ,

dens idade , fix ação da co r, aderênciarím e l co rpo e long itude p ropo rc ionada ao s c ílio s ,

m anutenção sem rachadurasde lineado r suav idade e fac ilidade na ap licação

ta lco b lo que io ou não dos po ro s , sensação desuav idade

base e m aqu iagem tam ponam en to ou não do s po ros da pe le ,capacidade de d ispersão

som bra de o lhos capacidade de recobrim ento , du rab ilidade ,p revenção de rugas nas dob ras das pá lpeb ras

h id ra tantes capacidade de ab so rção pe la pe le

CO SM ÉT ICO S

m ásca ras fa c ia is , esm a lte tem po de curaM ED ICAM EN T O S todo s do sagem do m ed icam ento ap licado aos pac ien tes ,

abso rção pe lo o rgan ism o , p rodução de pastilha s ecom prim ido s , consum o de ene rg ia em p rocesso sde m oagem

CIM EN T O todo s consum o de ene rg ia na m oagem , capacidade decim entação , capacidade de e sco am ento e fo rçado concre to , enco lh im en to do concre to apó ssecagem

ALIM E N T O S choco la te , le ite e a lim en tosem pó

apa rência , sabo r, tex tu ra e cus to da p rodução

CER ÂM ICA po rce lanas , u tens ílio s re s is tência à fra tura , dureza , a cabam en toPIN T U R A tin ta s e p igm ento s propriedades ó p ticas ( inc lu indo opacidade ), fo rça

de t ing im ento , v is cos idade e sed im en tação ,to na lidade de co r, b rilho , du rab ilidade

SucessoSobrevivência

Barreiras(Requisitos aserematendidos)

Mortalidade Precoce

(vida curta)

Pressões Externas:

• Concorrência Nacional eInternacional;

• Certificações: ISO 9001,ISO 14000, QS 9000, BS8800;

• Procon; Impostos,Sindicatos; PolíticasGovernamentais

Empresa

6

CLIENTE

Produtos/Serviços

-Em conformidade

-Qualidade Intrínseca

-Atendendo as necessidades dos clientes

ENSAIO

CALIBRAÇÕES

MEDIÇÕES

Processos Metrológicos

Certificação• Compulsória• Exigência do

cliente

Necessidades doMercado

Normalização• Especificações técnicas• Regulamentos• Normas

PROCESSOPROCESSO ResultadosResultados

METROLOGIAMETROLOGIA

Informações

COMPARAÇÃOCOMPARAÇÃO

ResultadosMetrológicos

Especificações para Características Controladas

Ações de Controle

Entradas

EMPRESASEMPRESAS Produtos eServiços

- Pré-medidos- Alimentícios- Não-alimentício

Instrumentos deMedidas

Materializadas

Produtos eServiços

- Pré-medidos- Alimentícios- Não-alimentício

Instrumentos deMedidas

MaterializadasMETROLOGIAMETROLOGIA

ÓRGÃOCONTROLADOR

ÓRGÃOCONTROLADOR

Código de Defesa do Consumidor

Resoluções, portarias e regulamentos técnicos

Resultados

Entradas

7

A importância da metrologia expressapor Lord Kelvin, em 1883:

“O conhecimento amplo e satisfatóriosobre um processo ou fenômenosomente existirá quando for possívelmedi-lo e expressá-lo através denúmeros.”

DECIDIRDECIDIR

CONHECERCONHECER

QUANTIFICAR DADOSQUANTIFICAR DADOS

MEDIRMEDIR

procedimentoaprovado

procedimentoaprovado

operadorhabilitado

operadorhabilitado

instrumentocalibrado

instrumentocalibrado

VIM

Vocabulário Internacionalde Termos Fundamentais eGerais de Metrologia

8

GRANDEZADefinição: Atributo de um fenômeno, corpo ousubstância que pode ser qualitativamentedistinguido e quantitativamente determinado.

Exemplos:• Grandezas gerais: comprimento, massa, temperatura

• Grandezas específicas: comprimento de uma peça, massa de um produto, temperatura de um componente de uma máquina

Instrumentos

Conjunto

de operações

que tem por

objetivo

determinar o

valor de uma

grandeza.

Termômetro

Balança

Bomba deGasolina

• Medição

PADRÃO referência para as medições realizadas

QUAL É O VALOR CORRETO?

Valor Verdadeiro Convencional: valor atribuídoa uma grandeza específica e aceito, às vezes, porconvenção, como tendo uma incerteza apropriadapara uma finalidade.

Valor Verdadeiro Convencional: valor atribuídoa uma grandeza específica e aceito, às vezes, porconvenção, como tendo uma incerteza apropriadapara uma finalidade.

9

EXATA

REPETITIVA

REPRODUTIVA

O que se espera do Resultado de uma Medição?

EXATA - mais próxima dovalor verdadeiro.

Ex.: conhecer a quantidadecorreta de gasolina colocadaem um carro


REPETITIVA - com pouca ounenhuma diferença entremedições efetuadas sob asmesmas condições.

Ex.: Três medidas decomprimento de uma peça,realizadas pela mesma pessoa,utilizando a mesma régua, nomesmo ambiente de trabalho.


10

REPRODUTIVA - com pouca ou nenhumadiferença entre medições feitas sob condiçõesdiferentes.

Ex.: Medida do peso de uma cargatransportada por um navio, efetuada em doisportos diferentes.

O que se espera do Resultado de uma Medição ?

MEDIDA

MÉTODO AMOSTRA

CONDIÇÕESAMBIENTAIS

USUÁRIOS EQUIPAMENTOS

MEDIDAMÉTODO AMOSTRA



É a seqüência lógica de atitudes tomadas e ações realizadas para se obteruma medida adequada, ou seja, de qualidade.

• Método de medição direto

• Método de medição indireto

11

Equipamento de medição utilizado diretamente naobtenção do resultado da medida.

Medição de comprimento com régua

Medição da tensão elétrica com um voltímetro

Medição da temperatura com um termômetro

Comparação de um valor desconhecido com umconhecido.

Pesagem comparando com o valor de uma massapadrão conhecida

Medição de volume utilizando um recipiente devolume conhecido

1 litro

Significa uma determinada quantidade (por exemplo, de um conjunto de peças,de um grupo de pessoas etc.) retirada de um conjunto total.

Cuidados:• o tamanho da amostra;• que a amostra seja de um mesmo lote de fabricação;• que as medições sejam realizadas, se possível, nas mesmascondições de fabricação;• evitar contaminações que adulterem as características da amostra;• o prazo de validade da amostra.




12

Entende-se como condições ambientais o controle da utilização dosinstrumentos submetidos aos fatores de influência, tais comotemperatura, umidade, poeira, vibração, tensão de alimentação etc. dolocal onde as medições são realizadas.




Deve ser treinado e capacitado para a utilização correta doequipamento de medição. Deve também conhecer o método demedição, saber avaliar as condições ambientais, decidir sobre arealização ou não das medições, selecionar adequadamente a amostra aser avaliada, anotar e interpretar o resultado das medições




Qualquer equipamento utilizado, sozinho ou em conjunto com outros,para realizar uma medição é chamado de instrumento de medição. Oconjunto de instrumentos de medição e de outros equipamentosacoplados para executar uma medida é denominado sistema demedição.




13

Não existe medição 100% exata!

Grosseiro - o valor encontrado difere muito de todos os outros em um conjunto de medições.

Sistemático - diferença entre o valor verdadeiro convencional e a média de um determinado número de medições.

Aleatório - diferença entre o resultado de uma medição e a média de um determinado número de medições

ERROS DEMEDIÇÃO

O erro de medição é a diferença entre o resultado de umamedição e o valor verdadeiro convencional do objeto a ser

medido.

A DB C

Exatidão: proximidade ao valor verdadeiro

Precisão: repetitividade das leituras

A DB C

CENTRO DO ALVOPRECISOEXATO

A

B

C

D

CENTRO DO ALVOIMPRECISO

EXATO

CENTRO DO ALVOPRECISOINEXATO

CENTRO DO ALVOIMPRECISOINEXATO

14

GUM

Guia Para Expressão da Incerteza de Medição

A incerteza da medição é um parâmetro associado aoresultado de uma medição que caracteriza a dispersão dosvalores que poderiam ser razoavelmente atribuídos a ummensurando.

RM = (R± U) [unidade de medição]

RM - resultado da mediçãoR - resultado encontradoU - incerteza

Incerteza Tipo A:

“Método de avaliação da incerteza pela análiseestatística de uma série de observações”.Pode, portanto, ser caracterizada por desvios padrãoexperimentais.

A incerteza tipo A é aquela originada peloprocesso de medição propriamente dito.

Caracterizada pela dispersão dos resultadosdas medições.

15

Incerteza Tipo B:

“ Método de avaliação da incerteza por outros meios quenão a análise estatística de uma série de observações”.

Pode, também, ser caracterizada por desvios padrão,estimados por distribuições de probabilidadesassumidas, baseadas na experiência ou em outrasobservações.

• gradiente de temperatura durante a medição• afastamento da temperatura ambiente em relação à temperatura de referência• tipo do indicador (analógico ou digital)• instabilidade da rede elétrica•paralaxe• incerteza do padrão• instabilidade temporal• erros geométricos• deformações mecânicas• histerese

Incerteza tipo B: exemplos

A Calibração estabelece os desvios entre os valoresindicados por um instrumento de medição e os valoresconvencionalmente verdadeiros.

Decisões e AçõesMedições

Qualidade das MediçõesAssegurar aincerteza requeridaaos processosmetrológicos

Garantia darastreabilidade dasmedições

Redução doerro atravésde correções

Calibrações Periódicas dos Instrumentos

Instrumentosde

Medição

Erros variam ao longo dotempo

Os erros influenciamdiretamente na incertezade medição

16

• Antes de se colocar em uso os instrumentos novos• Quando ocorrer sobrecarga, queda, mau uso ou desconfiança dos resultados da medição• Sempre após a realização de uma manutenção• Periodicamente, em intervalos de tempo definidos pela empresa, visando assegurar a qualidade das medições

1 - CALIBRAÇÃO DIRETA

2 - CALIBRAÇÃO INDIRETA

EXISTEM BASICAMENTE DOISTIPOS DE CALIBRAÇÃO:


Na calibração direta, a grandeza padrão de entrada éaplicada diretamente ao Sistema de Medição a Calibrar eas medidas são comparadas com os valores padrões.

Grandeza PadrãoSistema de

Medição

a Calibrar

Valor Padrão

Medida

17


Exemplos:

Calibração de um paquímetro,utilizando um bloco padrão.

Calibração de uma balança,utilizando massas padrão.


Gerador da

Grandeza

Medida

Sistema de

Medição

Padrão

Sistema de

Medição em

Calibração

Medida

A grandeza que se deseja medir é fornecida por um meio externo , que atuasimultaneamente no Sistema de Medição em Calibração e no Sistema deMedição Padrão. Os resultados do Sistema de Medição em Calibração sãocomparados com os do Sistema de Medição Padrão. Dessa forma, os errospodem ser determinados e as devidas correções efetuadas.


Exemplos:

Calibração do velocímetro deum carro, comparando com umvelocímetro padrão.

Calibração de um termômetro,comparando com um termômetropadrão.

18

Padrões de Referência(usuários)

Padrões de Trabalho

Padrões de Referência (RBC)Padrões Nacionais

Padrões Internacionais

CALIBRAÇÃO

PadrãoReferência

(RBC)

PadrãoInternacional

PadrãoNacional

PadrãoReferência(Usuários)

MediçõesPadrão

Trabalho

Sentido darastreabilidadedos padrões demedição.

Propriedade do resultado de uma medida, ou do valor de um padrão,estar relacionado a referências estabelecidas através de uma cadeiacontínua de comparações, todas com incertezas estabelecidas.

INTERCOMPARAÇÃO

Um padrão tem a função básica de servir como umareferência para as medições realizadas. Pode ser:

uma medida materializadamassa padrão para balança

um instrumento de medição termômetro

ou um material de referência solução referência de pH.

Um padrão tem a função básica de servir como umareferência para as medições realizadas. Pode ser:

uma medida materializadamassa padrão para balança

um instrumento de medição termômetro

ou um material de referência solução referência de pH.

5kg

pH 4,0

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

A NBR ISO 10012 define comprovação metrológica como:“conjunto de operações necessárias para assegurar-sede que um dado equipamento de medição está emcondições de conformidade com os requisitos para o usopretendido. Normalmente inclui, entre outras atividades,calibração, qualquer ajuste e/ou reparo, as recalibraçõessubseqüentes, assim como qualquer lacração ouetiquetagem necessária”.

A NBR ISO 10012 define comprovação metrológica como:“conjunto de operações necessárias para assegurar-sede que um dado equipamento de medição está emcondições de conformidade com os requisitos para o usopretendido. Normalmente inclui, entre outras atividades,calibração, qualquer ajuste e/ou reparo, as recalibraçõessubseqüentes, assim como qualquer lacração ouetiquetagem necessária”.

19

Planejamento

Identificar as variáveis e a capacidade requerida decada medida;

Identificar instrumentos e padrões e avaliar suaadequação;

Verificar a necessidade de compra de instrumentose padrões e selecionar fornecedores.

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

Desenvolvimento

Identificar e definir critérios de aceitabilidade de cadainstrumento e padrão;

Definir a freqüência de calibração de cada instrumento epadrão;

Definir as condições ambientais e correções necessárias;

Métodos de manuseio, identificação, armazenamento eembalagem de instrumentos;

Procedimentos, métodos de calibração, avaliar os registrosde calibração.

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

Implementação

Realizar a calibração e registrar os resultados;

Avaliar os resultados contra o critério de aceitaçãoestabelecido;

Para instrumento e/ou padrão não conforme: identificá-lo, segregá-lo e proceder a ações corretivas. Após acorreção, proceder a nova calibração.

Arquivar registro de calibração e identificar instrumentoe/ou padrão aprovado.

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

20

Verificação

Realizar auditorias internas;

Avaliar os relatórios das auditorias e verificar aexistência de não-conformidades;

Identificar causas, definir soluções, implementar asações corretivas e avaliar a eficácia das ações;

Estabelecer controles para impedir novasocorrência das não-conformidades.

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

Tratamento de Instrumentos e/ou Padrões Não Conformes

Analisar histórico de registros e verificar necessidade dereduzir intervalo de calibração;

Identificar e segregar instrumento e/ou padrão;

Proceder à manutenção e recalibração. Se o instrumento e/oupadrão não tiver como ser reparado, providenciar a substituição eefetuar a calibração do substituto;

Rastrear produtos e/ou instrumentos medidos desde a últimacalibração.

PLANEJAR

VERIFICAR

FAZERCORRIGIR

POLÍTICAS PÚBLICASIndustrial e Comércio Exterior

Relações de ConsumoDesenvolvimento Científico e Tecnológico

Meio Ambiente

CONMETRO

PlenáriaCâmaras Setoriais

Secretaria Executiva

CBMCONACRE

Laboratóriode Ensaios

Laboratóriode

Calibração

VerificaçõesInspeções

Laudos

IPEM

INMETRO

Ensaios Calibração

BIPMOIML

21

Algumas

atribuições

Gerenciar o Sistema Brasileiro de Certificação;

Coordenar a RBC, RBLE, RNML;

Promover e supervisionar o Sistema de NormalizaçãoTécnica Consensual;

Prover o país de padrões metrológicos nacionais;

Realizar os trabalhos inerentes à metrologia legal;

Supervisionar a emissão de regulamentos técnicos noâmbito governamental.

Metrologia Científicae Industrial

Metrologia Científicae Industrial

MetrologiaLegal

MetrologiaLegal

• RBC - Rede Brasileira de Calibração

• RBLE - Rede Brasileira de Laboratórios deEnsaios

Exemplos:- Ensaios e calibrações em produtos deTelecomunicações.

- Intercomparações internacionais dospadrões.

• RBML- Rede Brasileirade Metrologia Legal

Exemplo:

- Verificação debombas decombustíveis.

• Intercomparação dos padrões de medição nacionais aos

internacionais

• Instrumentos laboratoriais

• Pesquisas e metodologias científicas relacionadas ao mais

alto nível de qualidade metrológica

• Sistemas de medição responsáveis pelo controle dos

processos produtivos

• Garantia da qualidade dos produtos finais

22

• Produtos têxteis

• Sistemas relacionados às áreas de saúde, segurança emeio ambiente

• Sistemas de medição utilizados nas transações comerciais

• Produtos pré-medidos

Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Campinas – S.P.

2005

Vocabulário Internacional

de Metrologia

ANEXO

1

Ministério da Indústria, do Comércio e do TurismoInstituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - INMETROPortaria INMETRO nº 029, de 10 de março de 1995

O Presidente do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - INMETRO, no usode suas atribuições, resolve:

Art. 1º Alterar os termos do Art. 1º da Portaria nº 102, de 10 de junho de 1988, que passa a ter a seguinteredação:"Adotar, no Brasil, a nova versão do Vocabulário de Termos Fundamentais e Gerais de Metrologia,em anexo, baseada na 2ª edição/1993 do documento elaborado pelo Bureau Internacional dePesos e Medidas - BIPM, pela Comissão Internacional de Eletrotécnica - IEC, pela FederaçãoInternacional de Química Clínica - IFCC, pela Organização Internacional de Normalização - ISO,pela União Internacional de Química Pura e Aplicada - IUPAC e pela União Internacional de FísicaPura e Aplicada - IUPAP, com a devida adaptação ao nosso idioma, às reais condições existentesno país e às já consagradas pelo uso".

Art. 2º Permanecem inalterados os demais artigos estabelecidos na Portaria nº 102, de 10 de junho de1988.

Art. 3º Esta Portaria entrará em vigor na data de sua publicação.

Julio Cesar Carmo BuenoPresidente do INMETRO

SumárioPreâmbulo1 - Grandezas e Unidades2 - Medições3 - Resultados de Medição4 - Instrumentos de Medição5 - Características dos Instrumentos de Medição6 - Padrões

Vocabulário Internacional de Metrologia (1995)

PREÂMBULO DA VERSÃO BRASILEIRA

No Presente trabalho, elaborado e consensado com significativa parcela da comunidade técnica eacadêmica atuante no campo da metrologia, buscou-se não apenas enfocar os aspectos da adequadacorrespondência dos termos entre as línguas estrangeiras envolvidas, mas também da própria filosofia deconcepção do Vocabulário Internacional de Metrologia. Os esforços foram aqui direcionados no sentido deatender ao máximo as diferentes correntes de opinião, decorrentes de processos culturais já consagradosem várias regiões de nosso país. Buscou-se desta maneira, a desejável e necessária padronizaçãorespeitando o atual "estado da arte" da linguagem metrológica brasileira.

Pelas premissas expostas, alguns verbetes são expressos de duas formas diferentes para umamesma definição, ora para atender as necessidades brasileiras, ora simplesmente para acompanhar asversões inglesas e francesas. Porém, de um modo geral nestes casos, manteve-se no corpo do texto osverbetes listados em primeiro lugar, devendo no futuro cair em desuso as respectivas segundas opções.O uso de parênteses "(...)" ao redor das palavras de alguns termos, significa, como na edição original, queestas palavras podem ser omitidas, sem prejuízo de conteúdo, em risco de confusão.

Foi introduzido nesta versão brasileira a colocação dos termos originais (em inglês e francês) aolado de cada termo correspondente em português, que juntamente com o índice trilíngüe deverá facilitarsobre maneira a pesquisa de um determinado termo.Obviamente não poderíamos ter a pretensão de produzir um trabalho unânime, até mesmo porque seadmite imperfeições na publicação original. No entanto esperamos que seja atingido seu estrito objetivo decontribuir para harmonização interdisciplinar de terminologia metrológica.

Grupo de Trabalho de Terminologia – RBC

2

1. GRANDEZAS E UNIDADES

1.1. Grandeza (mensurável) [(measurable) quantity / grandeur (mesurable),f]

Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido equantitativamente determinado.Observações:1) O termo "grandeza" pode referir-se a uma grandeza em um sentido geral (veja exemplo a) ou auma grandeza específica (veja exemplo b) .Exemplos:a) Grandezas em um sentido geral: comprimento, tempo, massa, temperatura, resistência elétrica,concentração de quantidade de matéria;b) Grandezas específicas:- comprimento de uma barra- resistência elétrica de um fio- concentração de etanol em uma amostra de vinho2) Grandezas que podem ser classificadas, uma em relação à outra, em ordem crescente oudecrescente, são denominadas grandezas de mesma natureza.3) Grandezas de mesma natureza podem ser agrupadas em conjuntos de categorias de grandezas,por exemplo:- Trabalho, calor, energia.- Espessura, circunferência, comprimento de onda.4) Os símbolos das grandezas são dados na norma ISO 31.

1.2. Sistema de grandezas [system of quantities / système de grandeurs, m]

Conjunto de grandezas, em um sentido geral, entre as quais há uma relação definida.

1.3. Grandeza de base [ base quantity / grandeur de base, f ]

Grandeza que, em um sistema de grandezas é por convenção aceita como funcionalmenteindependente de uma outra grandeza.Exemplo:As grandezas comprimento, massa, e tempo são geralmente tidas como grandezas de base nocampo da mecânica.Observação:As grandezas de base correspondentes às unidades de base do Sistema Internacional de Unidades(S.I), são dadas na observação no item 1.12.

1.4. Grandeza derivada [derived quantity / grandeur dérivée, f]

Grandeza definida, em um sistema de grandezas, como função de grandezas de base deste sistema.Exemplo:Em um sistema que tem como grandezas de base o comprimento, a massa e o tempo, a velocidade éuma grandeza derivada, definida como: comprimento dividido por tempo.

1.5. Dimensão de uma grandeza [dimension of a quantity / dimension d’une grandeur, f]

Expressão que representa uma grandeza de um sistema de grandezas, como produto das potênciasdos fatores que representam as grandezas de base deste sistema.Exemplo:a) Em um sistema que tem como grandezas de base comprimento, massa e tempo, cujas dimensõessão representadas por L, M e T respectivamente, LMT-2 é a dimensão de força;b) No mesmo sistema de grandezas ML-3 é a dimensão de concentração de massa, bem como demassa específica.Observações:1) Os fatores que representam as grandezas de base são chamados "dimensões" dessas grandezasde base.2) Para detalhes de álgebra pertinente ver ISO 31-0.

1.6. Grandeza de dimensão um [quantity of dimension one / grandeur de dimension un, f ]

Grandeza adimensional [ dimensionless quantity / grandeur sans dimension, f]Grandeza em cuja expressão dimensional todos os expoentes das dimensões das grandezas de basesão reduzidos a zero.Exemplos: Deformação linear relativa, coeficiente de atrito, número de Mach, índice de refração,fração molar (fração de quantidade de matéria), fração de massa.

3

1.7. Unidade (de medida) [unit (of measurement) / unité (de mesure),f ]

Grandeza específica, definida e adotada por convenção, com a qual outras grandezas de mesmanatureza são comparadas para expressar suas magnitudes em relação àquela grandeza.Observações:1) Unidades de medidas tem nomes e símbolos aceitos por convenção.2) Unidades de grandezas de mesma dimensão podem ter os mesmos nomes e símbolos, mesmoquando as grandezas não são de mesma natureza.

1.8. Símbolo de uma unidade (de medida) [symbol of a unit (of measurement) / symbole d’une unité(de mesure), m]

Sinal convencional que designa uma unidade de medida.Exemplos:a) m é o símbolo do metro.b) A é o símbolo do ampère.

1.9. Sistema de unidades (de medida) [system of units (of measurement)/système d’unités (demesure), m]

Conjunto das unidades de base e unidades derivadas, definido de acordo com regras específicas,para um dado sistema de grandezas.Exemplos:a) Sistema Internacional de Unidades, SI;b) Sistema de unidades CGS.

1.10. Unidade (de medida) (derivada) coerente [coherent (derived) unit (of measurement) / unité (demesure) (dérivé) cohérente, f]

Unidade de medida derivada que pode ser expressa como um produto de potências de unidades debase com fator de proporcionalidade um.Observação:A coerência pode ser determinada somente em relação às unidades de base de um dado sistema.Uma unidade pode ser coerente em relação a um sistema mas não a outro.

1.11. Sistema coerente de unidades (de medida) [coherent system of units (of measurement) /système coherent d’unités (de mesure),m]

Sistema de unidades de medida no qual todas as unidades derivadas são coerentes.Exemplo:As unidade (expressas por seus símbolos) fazem parte do sistema de unidades coerentes emmecânica dentro do Sistema Internacional de Unidades, SI:m; kg; s;m²; m³; Hz = s-1; m.s-1; m.s-2;kg.m³; N = kg.m.s-2

Pa = kg.m-1.s-2

J = kg.m².s-2;W = kg.m².s-3

1.12. Sistema Internacional de Unidades -SI [International system of units SI / Système Internationald'unités, SI, m ]

Sistema coerente de unidades adotado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas(CGPM).Observação: O SI é baseado atualmente nas sete unidades de base seguintes:

Unidade SIGrandezaNome Símbolo

Comprimento metro mMassa quilograma kgTempo segundo sCorrente Elétrica ampére ATemperatura Termodinâmica kelvin KQuantidade de Matéria mol molIntensidade Luminosa candela cd

4

1.13. Unidade (de medida) de base [base unit (of measurement) / unité (de mesure) de base, f]

Unidade de medida de uma grandeza de base em um sistema de grandezas.Observação:Em um sistema de unidades coerentes há uma única unidade de base para cada grandezafundamental.

1.14. Unidade (de medida) derivada [derived unit (of measurement) / unité (de mesure) dérivée, f]

Unidade de medida de uma grandeza derivada em um sistema de grandezas.Observação:Algumas unidade derivadas possuem nomes e símbolos especiais, por exemplo no SI:

Unidade SIGrandezaNome Símbolo

Força newton NEnergia joule JPressão pascal Pa

1.15. Unidade (de medida) fora do sistema [ off-system unit (of measurement) / unité (de mesure)hors système, f]

Unidade de medida que não pertence a um dado sistema de unidades.Exemplos:a) O elétron-volt (aproximadamente de 1,602 18 x 10-19 J) é uma unidade de energia fora do sistemaem relação ao SI.b) o dia, a hora, o minuto são unidades de tempo fora do sistema em relação ao SI.

1.16. Múltiplo de uma unidade (de medida) [multiple of a unit (of measurement) / multiple d’uneunité (de mesure), m]

Unidade de medida maior que é formada a partir de uma dada unidade, de acordo com convençõesde escalonamento.Exemplos:a) Um dos múltiplos decimais do metro é o quilometrob) Um dos múltiplos não decimais do segundo é a hora.

1.17. Submúltiplo de uma unidade (de medida) [submultiple of a unit (of measurement) / sous-multiple d’une unité (de mesure),m]

Unidade de medida menor que é formada a partir de uma dada unidade, de acordo com convençõesde escalonamento.Exemplo:Um dos submúltiplos decimais do metro é o milímetro.

1.18. Valor (de uma grandeza) [value (of a quantity) / valeur ( d’une grandeur), f]

Expressão quantitativa de uma grandeza específica, geralmente sob a forma de uma unidade demedida multiplicada por um número.Exemplos:a) Comprimento de uma barra: 5,34 m ou 534 cmb) Massa de um corpo: 0,152kg ou 152 gc) Quantidade de matéria de uma amostra de água (H2O): 0,012 mol ou 12 molObservações:1) O valor de uma grandeza pode ser positivo, negativo ou nulo;2) O valor de uma grandeza pode ser expresso em mais de uma maneira;3) Os valores de grandezas adimensionais, são geralmente expressos apenas por números.4) Uma grandeza que não puder ser expressa por uma unidade de medida multiplicada por umnúmero, pode ser expressa por meio de uma escala de referência convencional, ou porprocedimento de medição ou por ambos.

5

1.19. Valor verdadeiro (de uma grandeza) [true value (of a quantity) / valeur vraie (d’une grandeur),f]

Valor consistente com a definição de uma dada grandeza específica.Observações:1) É um valor que seria obtido por uma medição perfeita;2) Valores verdadeiros são, por natureza, indeterminados.3) O artigo indefinido "um" é usado, preferivelmente ao artigo "o" em conjunto com "valorverdadeiro", porque podem haver muitos valores consistentes com a definição de uma dadagrandeza específica.

1.20. Valor verdadeiro convencional (de uma grandeza) [conventional true value (of a quantity) /valeur conventionnellement vraie (d’une grandeur), f]

Valor atribuído a uma grandeza específica e aceito, às vezes por convenção, como tendo umaincerteza apropriada para uma dada finalidade.Exemplos:a) Em um determinado local, o valor atribuído a uma grandeza por meio de um padrão de referência,pode ser tomado como um valor verdadeiro convencional;b) O CODATA (1986) recomendou o valor para a constante de Avogadro como sendo A : 6,022136 7x 1023 mol-1.Observações:1) "Valor verdadeiro convencional" é as vezes denominado valor designado, melhor estimativa dovalor, valor convencional ou valor de referência. "Valor de referência", neste sentido, não deveser confundido com "valor de referência" no sentido usado na observação do item 5.7.2) Freqüentemente um grande número de resultados de medições de uma grandeza é utilizado paraestabelecer uma valor verdadeiro convencional.

1.21. Valor numérico (de uma grandeza) [numerical value (of a quantity) / valeur numérique (d’unegrandeur), f]

Número que multiplica a unidade na expressão do valor de uma grandeza.Exemplos:Nos exemplos em 1.18 os números:a) 5,34 , 534;b) 0,152 , 152;c) 0,012 , 12

1.22. Escala de referência convencional [conventional reference scale / échelle de repérage, f ]Escala de valor de referência [reference-value scale / échelle de repérage, f]

Para grandezas específicas de uma dada natureza, é um conjunto de valores ordenados, contínuosou discretos, definidos por convenção e como uma referência para classificar em ordem crescenteou decrescente grandezas de mesma natureza.Exemplos:a) Escala de dureza Mohs;b) Escala de pH em química;c) Escala de índice de octano para combustíveis derivados de petróleo.

2. MEDIÇÕES

2.1. Medição [measurement / mesurage, m]

Conjunto de operações que tem por objetivo determinar um valor de uma grandeza.Observação:As operações podem ser feitas automaticamente.

2.2. Metrologia [metrology / métrologie, f]

Ciência da mediçãoObservação:A metrologia abrange todos os aspectos técnicos e práticos relativos às medições, qualquer que sejaa incerteza, em quaisquer campos da ciência ou tecnologia.

2.3. Princípio de medição [principle of measurement / principe de mesure, m]

Base científica de uma medição.Exemplos:a) O efeito termoelétrico utilizado para a medição da temperatura;

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b) O efeito Josephson utilizado para a medição da diferença de potencial elétrico;c) O efeito Doppler utilizado para a medição da velocidade;d) O efeito Raman utilizado para medição do número de ondas das vibrações moleculares.

2.4. Método de medição [method of measurement / méthode de mesure, f]

Seqüência lógica de operações, descritas genericamente, usadas na execução das medições.Observação:Os métodos de medição podem ser qualificados de várias maneiras; entre as quais:- método por substituição;- método diferencial;- método "de zero".

2.5. Procedimento de medição [ measurement procedure / mode de opératoire (de mesure) , m]

Conjunto de operações, descritas especificamente, usadas na execução de medições particulares deacordo com um dado método.Observação:Um procedimento de medição é usualmente registrado em um documento, que algumas vezes édenominado procedimento de medição (ou método de medição) e normalmente tem detalhessuficientes para permitir que um operador execute a medição sem informações adicionais.

2.6. Mensurando [mensurand / mesurand, m]

Objeto da mediçãoGrandeza específica submetida a medição.Exemplo:Pressão de vapor de uma dada amostra de água a 20ºC.Observação:A especificação de um mensurando pode requerer informações de outras grandezas como tempo,temperatura ou pressão.

2.7. Grandeza de influência [influence quantity / grandeur d’influence, f]

Grandeza que não é o mensurando mas que afeta o resultado da medição deste.Exemplos:a) A temperatura de um micrômetro usado na medição de um comprimento.b) A frequência na medição da amplitude de uma diferença de potencial em corrente alternada.c) A concentração de bilirrubina na medição da concentração de hemoglobina em uma amostra deplasma sanguíneo humano.

2.8. Sinal de medição [measurement signal / signal de mesure, m]

Grandeza que representa o mensurando ao qual está funcionalmente relacionada.Exemplos:a) Sinal de saída elétrico de um transdutor de pressão;b) Freqüência de um conversor tensão-frequência;c) Força eletromotriz de uma célula de concentração eletroquímica utilizada para medir a diferençaem concentração.Observação:O sinal de entrada de um sistema de medição pode ser denominado estímulo, o sinal de saída podeser denominado resposta.

2.9. Valor transformado (de um mensurando) [transformed value (of a mesurand) / valeurtransformée (d’un mesurand) , f]

Valor do sinal de uma medição representando um dado mensurando.

3. RESULTADO DE MEDIÇÃO

3.1. Resultado de uma medição [result of a measurement / résultat d’un mesurage, m]

Valor atribuído a um mensurando obtido por medição.Observações:1) Quando um resultado é dado, deve-se indicar claramente se ele se refere:- à indicação;- ao resultado não corrigido;- ao resultado corrigido;e se corresponde ao valor médio de várias medições.

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2) Uma expressão completa do resultado de uma medição inclui informações sobre a incerteza demedição.

3.2. Indicação (de um instrumento de medição) [indication ( of a measuring instrument ) /indication (d’un instrument de mesure), f]

Valor de uma grandeza fornecido por um instrumento de medição;Observações:1) O valor lido no dispositivo mostrador pode ser denominado de indicação direta, ele é multiplicadopela constante do instrumento para fornecer a indicação:2) A grandeza pode ser um mensurando, um sinal de medição ou uma outra grandeza à ser usadano cálculo do valor do mensurando.3) Para uma medida materializada a indicação é o valor à ela estabelecido.

3.3. Resultado não corrigido [uncorrected result / résultat brut, m]

Resultado de uma medição antes da correção devido aos erros sistemáticos.

3.4. Resultado corrigido [corrected result / résultat corrigé, m]

Resultado de uma medição após a correção devido aos erros sistemáticos.

3.5. Exatidão de medição [accuracy of measurement / exactitude de mesure, f]

Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando.Observações:1) Exatidão é um conceito qualitativo;2) O termo precisão não deve ser utilizado como exatidão.

3.6. Repetitividade (de resultados de medições) [repeatibility (of results of measurement) /répétabilité (des résultats de mesurage), f]

Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurandoefetuadas sob as mesmas condições de medição.Observações:1) Estas condições são denominadas condições de repetitividade2) Condições de repetitividade incluem:- mesmo procedimento de medição;- mesmo observador;- mesmo instrumento de medição, utilizando nas mesmas condições;- mesmo local;- repetição em curto período de tempo.3) Repetitividade pode ser expressa quantitativamente em função das características da dispersãodos resultados.

3.7. Reprodutibilidade ( dos resultados de medição ) [reproducibility ( of results of measurements)/ reproductibilité ( des résultats de mesurage), f]

Grau de concordância entre os resultados das medições de um mesmo mensurando, efetuadas sobcondições variadas de medição.Observações:1) para que uma expressão da reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam especificadasas condições alteradas:2) As condições alteradas podem incluir:- princípio de medição;- método de medição;- observador;- instrumento de medição;- padrão de referência;- local;- condições de utilização;- tempo.3) Reprodutibilidade pode ser expressa quantitativamente em função das características dadispersão dos resultados.4) Os resultados aqui mencionados referem-se usualmente a resultados corrigidos.

3.8. Desvio padrão experimental [experimental standard deviation / écart-type expérimental, m]

Para uma série de "n" medições de um mesmo mensurando, a grandeza "s", que caracteriza adispersão dos resultados é dada pela fórmula:

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1

)(1

2

−

−=

∑=

n

xx

s

x

ii

xi representa o resultado da "iésima" medição e x representa a média aritmética dos "n" resultadosconsiderados.Observações:

1) Considerando uma série de "n" valores como uma amostra de uma distribuição, x é umaestimativa não tendenciosa da média µ e s2 é uma estimativa não tendenciosa da variância σ2, destadistribuição.

2) A expressão é ns / uma estimativa do desvio padrão da distribuição de x e é denominadadesvio padrão experimental da média.3) Desvio padrão experimental da média é algumas vezes denominado incorretamente erro padrãoda média.

3.9. Incerteza de medição [uncertainty of measurement / incertitude de mesure, f]

Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores quepodem ser fundamentalmente atribuídos a um mensurando.Observações:1) O parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou um múltiplo dele), ou a metade de umintervalo correspondente a um nível de confiança estabelecido;2) A incerteza de medição compreende, em geral, muitos componentes. Alguns destes componentespodem ser estimados com base na distribuição estatística dos resultados das séries de medições epodem ser caracterizados por desvios padrão experimentais. Os outros componentes, que tambémpodem ser caracterizados por desvios padrão, são avaliados por meio de distribuição deprobabilidade assumidas baseadas na experiência ou em outras informações;3) Entende-se que o resultado da medição é a melhor estimativa do valor do mensurando e quetodos os componentes da incerteza, incluindo aqueles resultantes dos efeitos sistemáticos, como oscomponentes associados com correções e padrões de referência, contribuem para a dispersão.Esta definição foi extraída do "Guia para expressão de incerteza de medição", no qual suafundamentação é detalhada ( ver em particular, 2.2.4 e o anexo D(10).

3.10. Erro ( de medição ) [error (of measurement) / erreur ( de mesure ), f]

Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando.Observações:1) Uma vez que o valor verdadeiro não pode ser determinado, utiliza-se, na prática um valorverdadeiro convencional (ver 1.19 e 1.20).2) Quando for necessário distinguir "erro" de "erro relativo", o primeiro é algumas vezes denominadoerro absoluto da medição. Este termo não deve ser confundido com valor absoluto do erro, que éo módulo do erro.

3.11. Desvio [deviation / écart, m]

Valor menos seu valor de referência.

3.12. Erro relativo [relative error / erreur relative, f]

Erro da medição dividido por um valor verdadeiro do objeto da medição.Observação:- Uma vez que o valor verdadeiro não pode ser determinado, utiliza-se, na prática um valorverdadeiro convencional (ver 1.19 e 1.20)

3.13. Erro aleatório [random error / erreur aléatoire, f]

Resultado de uma medição menos a média que resultaria de um infinito número de medições domesmo mensurando efetuadas sob condições de repetitividade.Observação:1) Erro aleatório é igual ao erro menos o erro sistemático;2) Em razão de que apenas um finito número de medições pode ser feito, é possível apenasdeterminar uma estimativa do erro aleatório.

3.14. Erro sistemático [systematic error / erreur systématique, f]

Média, que resultaria de um infinito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob

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condições de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensurando.Observações:1) Erro sistemático é igual ao erro menos o erro aleatório;2) Analogamente ao valor verdadeiro o erro sistemático e suas causas não podem sercompletamente conhecidos;3) Para um instrumento de medição ver tendência (5.25)

3.15. Correção [correction / correction, f]

Valor adicionado algebricamente ao resultado não corrigido de uma medição para compensar umerro sistemático.Observações:1) A correção é igual ao erro sistemático estimado com sinal trocado;2) Uma vez que o erro sistemático não pode ser perfeitamente conhecido, a compensação não podeser completa.

3.16. Fator de correção [correction factor / facteur de correction, m]

Fator numérico pelo qual o resultado não corrigido de uma medição é multiplicado para compensarum erro sistemático.Observação:- Uma vez que o erro sistemático não pode ser perfeitamente conhecido, a compensação não podeser completa.

4. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

Muitos termos diferentes são empregados para descrever os artefatos nas medições. Estevocabulário define somente uma seleção de termos preferenciais, a lista a seguir, mais completa,está organizada em ordem aproximadamente crescente de complexidade. Esses termos não sãomutuamente excludentes.- elemento- componente- parte- transdutor de medição- dispositivo de medição- material de referência- medida materializada- instrumento de medição- aparelhagem- equipamento- cadeia de medição- sistema de medição- instalação de medição

4.1. Instrumento de medição [measuring instrument / instrument de mesure, m, appareil demesure, m]

Dispositivo utilizado para uma medição, sozinho ou em conjunto com dispositivo(s) complementar(s).

4.2. Medida materializada [ material measure / mesure matérialisée, f]

Dispositivo destinado a reproduzir ou fornecer, de maneira permanente durante seu uso, um ou maisvalores conhecidos de uma dada grandeza.Exemplos:a) Uma massa;b) Uma medida de volume (de um ou vários valores, com ou sem escala);c) Um resistor elétrico padrão;d) Um bloco padrão;e) Um gerador de sinal padrão;f) Um material de referência.Observação:A grandeza em questão pode ser denominada grandeza fornecida.

4.3. Transdutor de medição [measuring transducer / transducteur de mesure, m]

Dispositivo que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação determinada com agrandeza de entrada.Exemplos:

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a) termopar;b) transformador de corrente;c) extensômetro elétrico de resistência [strain gauge];d) eletrodo de pH.

4.4. Cadeia de Medição [measuring chain / chaine de mesure, f]

Sequência de elementos de um instrumento ou sistema de medição, que constitui o trajeto do sinalde medição desde o estímulo até a resposta.Exemplo:Uma cadeia de medição eletro-acústica compreende um microfone, atenuador, filtro, amplificador evoltímetro.

4.5. Sistema de medição [measuring system / système de mesure, m]

Conjunto completo de instrumentos de medição e outros equipamentos acoplados para executaruma medição específica.Exemplo:a) Aparelhagem para medição de condutividade de materiais semicondutores;b) Aparelhagem para calibração de termômetros clínicos.Observações:1) O sistema pode incluir medidas materializadas e reagentes químicos.2) Um sistema de medição que é instalado de forma permanente, é denominado instalação demedição.

4.6. Instrumento (de medição) mostrador [displaying (measuring) instrument / appareil (demesure) affischeur, m]

- Instrumento (de medição) indicador [indicating (measuring) instrument / appareil (de mesure)indicateur, m]Instrumento de medição que apresenta uma indicaçãoExemplos:a) Voltímetro analógicob) Freqüencímetro digitalc) MicrômetroObservações:1) A indicação pode ser analógica (contínua ou descontínua) ou digital2) Valores de mais de uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente3) Um instrumento de medição indicador pode também fornecer um registro.

4.7. Instrumento (de medição) registrador [recording (measuring) instrument / appareil (demesure) enregistreur, m]

Instrumento de medição que fornece um registro da indicação.Exemplos:a) barógrafob) dosímetro termoluminescentec) espectrômetro registradorObservações:1) O registro (indicação) pode ser analógico (linha contínua ou descontínua) ou digital;2) Valores de mais de uma grandeza podem ser registrados (apresentados) simultâneamente3) Um instrumento registrador pode também apresentar uma indicação

4.8. Instrumento (de medição) totalizador [totalizing (measuring) instrument / appareil (de mesure)totalisateur, m]

Instrumento de medição que determina o valor de um mensurando por meio da soma dos valoresparciais desta grandeza, obtidos simultânea ou consecutivamente, de uma ou mais fontes.Exemplos:a) Plataforma ferroviária de pesagem totalizadora;b) medidor totalizador de potência elétrica

4.9. Instrumento (de medição) integrador [integrating (measuring) instrument / appareil (demesure) intégrateur, m]

Instrumento de medição que determina o valor de um mensurando por integração de uma grandezaem função de uma outra.Exemplo:medidor de energia elétrica

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4.10. Instrumento de indicação analógica [ analogue indicating instrument ]

Instrumento de medição no qual o sinal de saída ou a indicação é uma função contínua domensurando ou do sinal de entrada.Observação:Este termo é relativo à forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não do princípiode funcionamento do instrumento.

4.11. Instrumento (de medição) digital [digital measuring instrument / appareil de mesure (àaffichage) numérique, m]

Instrumento de indicação digital [digital indicating instrument]Instrumento de medição que fornece um sinal de saída ou uma indicação em forma digital.Observação:Este termo é relativo à forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não ao princípiode funcionamento do instrumento.

4.12. Dispositivo indicador [indicating device / dispositif indicateur, m]

Parte de um instrumento de medição, que apresenta uma indicação.Observações:1) Esse termo pode incluir o dispositivo no qual é apresentado ou alocado o valor de uma medidamaterializada;2) Um dispositivo mostrador analógico fornece uma "indicação analógica", um dispositivo indicadordigital fornece uma "indicação digital";3) É denominada indicação semi-digital, a forma de apresentação, tanto por meio de um indicadordigital, no qual o dígito menos significativo move-se continuamente permitindo a interpolação ,quanto por meio de um indicador digital, complementado por uma escala e índice.

4.13. Dispositivo registrador [recording device / dispositif enregistreur, m]

Parte de um instrumento de medição que fornece o registro de uma indicação.

4.14. Sensor [sensor / capteur, m]

Elemento de um instrumento de medição ou de uma cadeia de medição que é diretamente afetadopelo mensurando.Exemplos:a) Junta de medição de um termômetro termoelétrico;b) Rotor de uma turbina para medir vazão;c) Tubo de Bourdon de um manômetro;d) Bóia de um instrumento de medição de nível;e) Fotocélula de um spectrofotômetro.Observação:Em alguns campos de aplicação é usado o termo "detector" para este conceito.

4.15. Detector [detector / détecteur, m]

Dispositivo ou substância que indica a presença de um fenômeno sem necessariamente fornecer umvalor de uma grandeza associada.Exemplos:a) Detector de vazamento de halogênio;b) Papel tornassol.Observações:1) Uma indicação pode ser obtida somente quando o valor da grandeza atinge um, denominado àsvezes limite de detecção do detector.2) Em alguns campos de aplicação o termo "detetor" é usado como conceito de "sensor".

4.16. Índice [index / index, m]

Parte fixa ou móvel de um dispositivo mostrador cuja posição em relação às marcas de escalapermite determinar um valor indicado.Exemplos:a) Ponteiro;b) Ponto luminoso;c) Superfície de um líquido;d) Pena de registrador;

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4.17. Escala (de um instrumento de medição) [scale (of a measuring instrument) / échelle (d’unappareil de mesure), f]

Conjunto ordenado de marcas, associado a qualquer numeração, que faz parte de um dispositivomostrador de um instrumento de medição.Observação:Cada marca é denominada de marca de escala.

4.18. Comprimento de escala [scale length / longueur d’échelle, f]

Para uma dada escala, é o comprimento da linha compreendida entre a primeira e a última marca,passando pelo centro de todas as marcas menores.Observações:1) A linha pode ser real ou imaginária, curva ou reta;2) O comprimento da escala é expresso em unidades de comprimento, qualquer que seja a unidadedo mensurando ou a unidade marcada sobre a escala.

4.19. Faixa de indicação [range of indication / étendue des indications, f ]

Conjunto de valores limitados pelas indicações extremas.Observações:1) Para um mostrador analógico pode ser chamado de faixa de escala;2) A faixa de indicação é expressa nas unidades marcadas no mostrador, independentemente daunidade do mensurando e é normalmente estabelecida em termos dos seus limites inferior esuperior, por exemplo 100ºC a 200ºC;3) Ver observação do item 5.2

4.20. Divisão de escala [scale division / division, f]

Parte de uma escala compreendida entre duas marcas sucessivas quaisquer.

4.21. Comprimento de uma divisão [scale spacing / longueur d’une division (d’échelle), f]

Distância entre duas marcas sucessivas quaisquer, medidas ao longo da linha do comprimento deescala.Observação:O comprimento de uma divisão é expresso em unidade de comprimento, qualquer que seja aunidade do mensurando ou a unidade marcada sobre a escala.

4.22. Valor de uma divisão [scale interval / échelon, m - valeur d’une division (d’échelle), f]

Diferença entre os valores da escala correspondentes a duas marcas sucessivas.Observação:O valor de uma divisão é expresso na unidade marcada sobre a escala, qualquer que seja a unidadedo mensurando.

4.23. Escala linear [linear scale / échelle linéaire, f]

Escala na qual cada comprimento de uma divisão está relacionado com o valor de uma divisãocorrespondente por um coeficiente de proporcionalidade constante ao longo da escala.Observação:Uma escala linear cujos valores de uma divisão são constantes, é denominada "escala regular".

4.24. Escala não-linear [nonlinear scale / échelle non-linéaire, f]

Escala na qual cada comprimento de uma divisão está relacionado com o valor de uma divisãocorrespondente por um coeficiente de proporcionalidade que não é constante ao longo da escala.Observação:Algumas escalas não-lineares possuem nomes especiais como "escala logarítimica", "escalaquadrática".

4.25. Escala com zero suprimido [supressed-zero scale / échelle à zero décalé, f]

Escala cuja faixa de indicação não inclui o valor zero.Exemplo:Escala de um termômetro clínico

4.26. Escala expandida [expanded scale / échelle diletée, f]

Escala na qual parte da faixa de indicação ocupa um comprimento da escala que édesproporcionalmente maior do que outras partes.

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4.27. Mostrador [dial / cadran, m]

Parte fixa ou móvel de um dispositivo mostrador no qual estão a ou as escalas.Observação:Em alguns dispositivos mostradores o mostrador tem a forma de cilindros ou de discos numeradosque se deslocam em relação a um índice fixo ou a uma janela.

4.28. Numeração da escala [scale numbering / chiffraison d’une échelle, f]

Conjunto ordenado de números associados às marcas da escala.

4.29. Marcação da escala (de um instrumento de medição) [gauging (of a measuring instrument) /calibrage (d’un instrument de mesure , m]

Operação de fixar as posições das marcas da escala de um instrumento de medição (em algunscasos apenas certas marcas principais) em relação aos valores correspondentes do mensurando.

4.30. Ajuste (de um instrumento de medição) [adjustment (of a measuring instrument) / ajustage(d’un instrument de mesure , m]

Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatívelcom o seu uso.Observação:O ajuste pode ser automático, semi-automático ou manual.

4.31. Regulagem (de um instrumento de medição) [user adjustment (of a measuring instrument) /réglage (d’un instrument de mesure) , m]

Ajuste, empregando somente os recursos disponíveis no instrumento para o usuário.

5. CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO.

Alguns dos termos utilizados para descrever as características de um instrumento de medição sãoigualmente aplicáveis a dispositivos de medição, transdutores de medição ou a um sistema demedição e por analogia podem também ser aplicados a uma medida materializada ou a um materialde referência.O sinal de entrada de um sistema de medição pode ser chamado de estímulo: o sinal de saída podeser chamado de resposta.Neste capítulo o termo "mensurando" significa a grandeza aplicada a um instrumento de medição.

5.1. Faixa nominal [nominal range / calibre, m]

Faixa de indicação que se pode obter em uma posição específica dos controles de um instrumentode medição.Observações:1) Faixa nominal é normalmente definida em termos de seus limites inferior e superior, por exemplo,"100ºC a 200ºC". Quando o limite inferior é zero, a faixa nominal é definida unicamente em termosdo limite superior, por exemplo, a faixa nominal de 0 V a 100 V é expressa como "100 V".2) Ver observações do item 5.2.

5.2. Amplitude da faixa nominal [span / intervalle de mesure, m]

Diferença, em módulo, entre os dois limites de uma faixa nominal.Exemplo:Para uma faixa nominal de -10 V a + 10 V a amplitude da faixa nominal é 20 V.Observação:Em algumas áreas, a diferença entre o maior e o menor valor é denominada faixa.

5.3. Valor nominal [nominal value / valeur nominale, f]

Valor arredondado ou aproximado de uma característica de um instrumento de medição que auxiliana sua utilizaçãoExemplos:a) 100 Ω como valor marcado em um resistor padrão;b) 1 L como valor marcado em um recipiente volumétrico com uma só indicação;c) 0,1 mol/L como a concentração da quantidade de matéria de uma solução de ácido clorídrico, HCl.d) 25ºC como ponto pré-selecionado de um banho controlado termoestáticamente.

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5.4. Faixa de medição [measuring range / étendue de mesure, f]

Faixa de trabalho [working range]Conjunto de valores de um mensurando para o qual admite-se que o erro de um instrumento demedição mantém-se dentro dos limites especificados.Observações:1) "erro" é determinado em relação a um valor verdadeiro convencional.2) Ver observação do item 5.2.

5.5 Condições de utilização [rated operating conditions / conditions assignées defonctionnement, f]

Condições de uso para as quais as características metrológicas especificadas de um instrumento demedição mantém-se dentro de limites especificados.Observação:As condições de utilização geralmente especificam faixas ou valores aceitáveis para o mensurandoe para as grandezas de influência.

5.6. Condições limites [limiting conditions / conditions limites, f]

Condições extremas nas quais um instrumento de medição resiste sem danos e degradação dascaracterísticas metrológicas especificadas, as quais são mantidas nas condições de funcionamentoem utilizações subseqüentes.Observações:1) As condições limites para armazenagem, transporte e operação podem ser diferentes;2) As condições limites podem incluir valores limites para o mensurando e para as grandezas deinfluência.

5.7. Condições de referência [reference conditions / conditions de référence, f]

Condições de uso prescritas para ensaio de desempenho de um instrumento de medição ou paraintercomparação de resultados de medições.Observação:As condições de referência geralmente incluem os valores de referência ou as faixas de referênciapara as grandezas de influência que afetam o instrumento de medição.

5.8. Constante de um instrumento [ instrument constant / constante ( d’un instrument), f]

Fator pelo qual a indicação direta de um instrumento de medição deve ser multiplicada para obter-seo valor indicado do mensurando ou de uma grandeza utilizada no cálculo do valor do mensurando.Observações:1) Instrumentos de medição com diversas faixas com um único mostrador, têm várias constantesque correspondem, por exemplo, a diferentes posições de um mecanismo seletor.2) Quando a constante for igual a um, ela geralmente não é indicada no instrumento.

5.9. Característica de resposta [response characteristic / caractéristique de transfert, f]

Relação entre um estímulo e a resposta correspondente, sob condições definidas.Exemplo:A força eletromotriz (fem) de um termopar como função da temperatura.Observações:1) A relação pode ser expressa na forma de uma equação matemática, uma tabela numérica ou umgráfico.2) Quando o estímulo varia como uma função do tempo, uma forma de característica de resposta é afunção de transferência ("transformada de Laplace" da resposta dividida pela do estímulo).

5.10. Sensibilidade [sensitivity / sensibilité, f]

Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação doestímulo.Observação:A sensibilidade pode depender do valor do estímulo.

5.11. (Limiar de) Mobilidade [discrimination (threshold) / (seuil de) mobilité, m]

Maior variação no estímulo que não produz variação detectável na resposta de um instrumento demedição, sendo a variação no sinal de entrada lenta e uniforme.Observação:O limiar de mobilidade pode depender, por exemplo, de ruído (interno ou externo) ou atrito. Podedepender também do valor do estímulo.

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5.12. Resolução (de um dispositivo mostrador) [resolution (of a displaying device) / résolution (d’undispositif afficheur), f]

Menor diferença entre indicações de um dispositivo mostrador que pode ser significativamentepercebida.Observações:1) Para dispositivo mostrador digital, é a variação na indicação quando o dígito menos significativovaria de uma unidade.2) este conceito também se aplica a um dispositivo registrador.

5.13. Zona morta [dead band / zone morte, f]

Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos sem produzir variação naresposta de um instrumento de medição.Observações:1) A zona morta pode depender da taxa de variação.2) A zona morta, algumas vezes pode ser deliberadamente ampliada de modo a prevenir variaçõesna resposta para pequenas variações no estímulo.

5.14. Estabilidade [stability / constance, f]

Aptidão de um instrumento de medição em conservar constantes suas características metrológicasao longo do tempo.Observações:1) Quando a estabilidade for estabelecida em relação a uma outra grandeza que não o tempo, istodeve ser explícitamente mencionado;2) A estabilidade pode ser quantificada de várias maneiras, por exemplo:- pelo tempo no qual a característica metrológica, varia de uma valor determinado; ouem termos da variação de uma característica em um determinado período de tempo.

5.15. Discrição [transparency / discrétion, f]

Aptidão de um instrumento de medição em não alterar o valor do mensurando.Exemplos:1) Uma balança é um instrumento discreto para medição de massas.2) Um termômetro de resistência que aquece o meio no qual a temperatura está sob medição, não édiscreto.

5.16. Deriva [drift / dérive, f]

Variação lenta de uma característica metrológica de um instrumento de medição.

5.17. Tempo de resposta [response time / temps de réponse, m]

Intervalo de tempo entre o instante em que um estímulo é submetido a uma variação brusca e oinstante em que a resposta atinge e permanece dentro de limites especificados em torno do seuvalor final estável.

5.18. Exatidão de um instrumento de medição [accuracy of measuring instrument / exactitude d’uninstrument de mesure, f]

Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.Observação:Exatidão é um conceito qualitativo.

5.19. Classe de exatidão [accuracy class / classe d’exactitude, f]

Classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigências metrológicas destinadas aconservar os erros dentro de limites especificados.Observação:Uma classe de exatidão é usualmente indicada por um número ou símbolo adotado por convenção edenominado índice de classe.

5.20. Erro (de indicação) de um instrumento de medição [error (of indication) of a measuringinstrument / erreur (d’indication) d’un instrument de mesure, f]

Indicação de um instrumento de medição menos um valor verdadeiro de grandeza de entradacorrespondente.Observações:1) Uma vez que um valor verdadeiro não pode ser determinado, na prática é utilizado um valor

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verdadeiro convencional (ver. 1.19 e 1.20).2) Este conceito aplica-se principalmente quando o instrumento é comparado a um padrão dereferência.3) Para uma medida materializada, a indicação é o valor atribuído a ela.

5.21. Erros máximos admissíveis (de um instrumento de medição) [maximum permissible errors (ofa measuring instrument) / erreurs maximales tolérées (d’un instrument de mesure), f]

Limites de erros admissíveis (de um instrumento de medição) [Limits of permissible error (ofa measuring instrument) / limites d’erreur tolérées (d’un instrument de mesure), f]Valores extremos de um erro admissível por especificações, regulamentos, etc para um dadoinstrumento de medição.

5.22. Erro no ponto de controle (de um instrumento de medição) [datum error (of a measuringinstrument) / erreur au point de contrôle (d’un instrument de mesure), f]

Erro de um instrumento de medição em uma indicação especificada ou em um valor especificado domensurando, escolhido para controle do instrumento.

5.23. Erro no zero (de um instrumento de medição) [zero error (of a measuring instrument) / erreurà zero (d’un instrument de mesure), f]

Erro no ponto de controle de um instrumento de medição para o valor zero do mensurando.

5.24. Erro intrínseco (de um instrumento de medição) [intrinsic error (of a measuring instrument) /erreur intrinsèque (d’un instrument de mesure), f]

Erro de um instrumento de medição, determinado sob condições de referência.

5.25. Tendência (de um instrumento de medição) [bias (of a measuring instrument) / erreur dejustesse (d’un instrument de mesure), f]

Erro sistemático da indicação de um instrumento de medição.Observação:1) Tendência de um instrumento de medição é normalmente estimada pela média dos erros deindicação de um número apropriado de medições repetidas.

5.26. Isenção de tendência (de um instrumento de medição) [freedom from bias (of a measuringinstrument) / justesse (d’un instrument de mesure), f]

Aptidão de um instrumento de medição em dar indicações isentas de erro sistemático.

5.27. Repetitividade (de um instrumento de medição) [repeatability (of a measuring instrument) /fidélité (d’un instrument de mesure), f]

Aptidão de um instrumento de medição fornecer indicações muito próximas, em repetidas aplicaçõesdo mesmo mensurando, sob as mesmas condições de medição.Observações:1) Estas condições incluem:- redução ao mínimo das variações devido ao observador;- mesmo procedimento de medição;- mesmo observador;- mesmo equipamento de medição, utilizado nas mesmas condições;- mesmo local;- repetições em um curto período de tempo.2) Repetitividade pode ser expressa quantitativamente em termos das características da dispersãodas indicações.

5.28. Erro fiducial (de um instrumento de medição) [fiducial error (of a measuring instrument) /erreur réduite conventionnelle (d’un instrument de mesure), f]

Erro de um instrumento de medição dividido por um valor especificado para o instrumento.Observação:O valor especificado é geralmente denominado de valor fiducial, e pode ser, por exemplo, aamplitude da faixa nominal ou o limite superior da faixa nominal do instrumento de medição

6. PADRÕES.

6.1. Padrão [(measurement) standard / étalon, m]

Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição

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destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de umagrandeza para servir como referência.Exemplos:a) Massa padrão de 1 kg;b) Resistor padrão de 100 Ω;c) Amperímetro padrão;d) Padrão de frequência de césio;e) Eletrodo padrão de hidrogênio;f) Solução de referência de cortisol no soro humano, tendo uma concentração certificada.Observações:1) Um conjunto de medidas materializadas similares ou instrumentos de medição que utilizados emconjunto, constituem um padrão coletivo.2) Um conjunto de padrões de valores escolhidos que, individualmente ou combinados formam umasérie de valores de grandeza de uma mesma natureza é denominado coleção padrão.

6.2. Padrão internacional [international (measurement) standard / étalon international, m]

Padrão reconhecido por um acordo internacional para servir, internacionalmente, como base paraestabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere.

6.3. Padrão nacional [national (measurement) standard / étalon national, m]

Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base para estabelecervalores a outros padrões da grandeza a que se refere.

6.4. Padrão primário [primary standard / étalon primaire, m]

Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidadesmetrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões da mesma grandeza.Observação:O conceito de padrão primário é igualmente válido para as grandezas de base e para grandezasderivadas.

6.5. Padrão secundário [secondary standard / étalon secondaire, m]

Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza.

6.6. Padrão de referência [reference standard / étalon de référence, m]

Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou emuma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas.

6.7. Padrão de trabalho [working standard / étalon de travail, m]

Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos demedição ou materiais de referência.Observações:1) Um padrão de trabalho é, geralmente calibrado por comparação a um padrão de referência.2) Um padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendoexecutadas corretamente é chamado padrão de controle.

6.8. Padrão de transferência [transfer standard / étalon de transfert, m]

Padrão utilizado como intermediário para comparar padrões.Observação:O termo dispositivo de transferência deve ser utilizado quando o intermediário não é um padrão.

6.9. Padrão itinerante [travelling standard / étalon voyageur, m]

Padrão, algumas vezes de construção especial, para ser transportado entre locais diferentes.Exemplo:Padrão de freqüência de césio, portátil, operado por bateria

6.10. Rastreabilidade [traceability / traçabilité, f]

Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um padrão estar relacionado a referênciasestabelecidas, geralmente padrões nacionais ou internacionais, através de uma cadeia contínua decomparações, todas tendo incertezas estabelecidas.Observações:1) O conceito é, geralmente expresso pelo adjetivo rastreável;2) Uma cadeia contínua de comparações é denominada de cadeia de rastreabilidade.

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6.11. Calibração [calibration / étalonnage, m]Aferição

Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valoresindicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por umamedida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezasestabelecidos por padrões.Observações:1) O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando paraas indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas.2) Uma calibração pode também determinar outras propriedades metrológicas como o efeito dasgrandezas de influência.3) O resultado de uma calibração pode ser registrado em um documento, algumas vezesdenominado certificado de calibração ou relatório de calibração.

6.12. Conservação de um padrão [conservation of a (measurement) standard / conservation d’unétalon, f]

Conjunto de operações necessárias para preservar as características metrológicas de um padrãodentro de limites apropriados.Observação:As operações normalmente incluem calibração periódica, armazenamento em condições adequadase utilização cuidadosa.

6.13. Material de referência (MR) [reference material (RM) / matériau de référence (MR), m]

Material ou substância que tem um ou mais valores de propriedades que são suficientementehomogêneos e bem estabelecidos para ser usado na calibração de um aparelho, na avaliação de ummétodo de medição ou atribuição de valores a materiais.Observação:Um material de referência pode ser uma substância pura ou uma mistura, na forma de gás, líquidoou sólido. Exemplos são a água utilizada na calibração de viscosímetros, safira como um calibradorda capacidade calorífica em calorimetria, e soluções utilizadas para calibração em análisesquímicas.(definição e observação extraídas da ISO Guide 30-1992)

6.14. Material de referência certificado (MRC) [certified reference material (CRM) / matériau deréférence certifié (MRC), m]

Material de referência, acompanhado por um certificado, com um ou mais valores de propriedades, ecertificados por um procedimento que estabelece sua rastreabilidade à obtenção exata da unidadena qual os valores de propriedade são expressos, e cada valor certificado é acompanhado por umaincerteza para um nível de confiança estabelecido.Observações:1) A definição de "certificado de material de referência" é dada no item 4.2*.2) Os MRC são geralmente preparados em lotes, para os quais o valor de cada propriedadeconsiderada é determinado dentro de limites de incerteza estabelecidos por medições em amostrasrepresentativas de todo o lote.3) As propriedades certificadas de materiais de referência certificados são, algumas vezes, obtidasconvenientemente e de forma confiável quando o material é incorporado em um dispositivo fabricadoespecialmente, por exemplo uma substância de ponto triplo conhecido em uma célula de ponto triplo,um vidro com densidade óptica conhecida dentro de um filtro de transmissão, esferas degranulometria uniforme montadas na lâmina em um microscópio. Esses dispositivos também podemser considerados como MRC.4) Todos MRC atendem à definição de "padrões" dada no "Vocabulário Internacional de TermosFundamentais e Gerais de Metrologia (VIM)"5) Alguns MR e MRC têm propriedades as quais, em razão deles não serem correlacionados comuma estrutura química estabelecida ou por outras razões, não podem ser determinadas por métodosde medição físicos e químicos exatamente definidos. Tais materiais incluem certos materiaisbiológicos como as vacinas para as quais uma unidade internacional foi determinada pelaOrganização Mundial de Saúde.Esta definição e as observações foram extraídas da ISO Guide 30:1993

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ÍNDICE

VOCABULÁRIO INTERNACIONAL DE METROLOGIA

1. GRANDEZAS E UNIDADES

1.1. Grandeza (mensurável)1.2. Sistema de grandezas1.3. Grandeza de base1.4. Grandeza derivada1.5. Dimensão de uma grandeza1.6. Grandeza de dimensão um1.7. Unidade (de medida)1.8. Símbolo de uma unidade (de medida)1.9. Sistema de unidades (de medida)1.10. Unidade (de medida) (derivada) coerente1.11. Sistema coerente de unidades (de

medida)1.12. Sistema Internacional de Unidades -SI1.13. Unidade (de medida) de base1.14. Unidade (de medida) derivada1.15. Unidade (de medida) fora do sistema1.16. Múltiplo de uma unidade (de medida)1.17. Submúltiplo de uma unidade (de

medida)1.18. Valor (de uma grandeza)1.19. Valor verdadeiro (de uma grandeza)1.20. Valor verdadeiro convencional (de uma

grandeza)1.21. Valor numérico (de uma grandeza)1.22. Escala de referência convencional

Escala de valor de referência

2. MEDIÇÕES

2.1. Medição2.2. Metrologia2.3. Princípio de medição2.4. Método de medição2.5. Procedimento de medição2.6. Mensurando2.7. Grandeza de influência2.8. Sinal de medição2.9. Valor transformado (de um mensurando)

3. RESULTADO DE MEDIÇÃO

3.1. Resultado de uma medição3.2. Indicação (de um instrumento de

medição)3.3. Resultado não corrigido3.4. Resultado corrigido3.5. Exatidão de medição3.6. Repetitividade (de resultados de

medições)3.7. Reprodutibilidade (dos resultados de

medição)3.8. Desvio padrão experimental3.9. Incerteza de medição3.10. Erro ( de medição )3.11. Desvio

3.12. Erro relativo3.13. Erro aleatório3.14. Erro sistemático3.15. Correção3.16. Fator de correção

4. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

4.1. Instrumento de medição4.2. Medida materializada4.3. Transdutor de medição4.4. Cadeia de Medição4.5. Sistema de medição4.6. Instrumento (de medição) mostrador4.7. Instrumento (de medição) registrador4.8. Instrumento (de medição) totalizador4.9. Instrumento (de medição) integrador4.10. Instrumento de indicação analógica4.11. Instrumento (de medição) digital4.12. Dispositivo indicador4.13. Dispositivo registrador4.14. Sensor4.15. Detector4.16. Índice4.17. Escala (de um instrumento de medição)4.18. Comprimento de escala4.19. Faixa de indicação4.20. Divisão de escala4.21. Comprimento de uma divisão4.22. Valor de uma divisão4.23. Escala linear4.24. Escala não-linear4.25. Escala com zero suprimido4.26. Escala expandida4.27. Mostrador4.28. Numeração da escala4.29. Marcação da escala (de um instrumento

de medição)4.30. Ajuste (de um instrumento de medição)4.31. Regulagem (de um instrumento de

medição)

5. CARACTERÍSTICAS DOSINSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO.

5.1. Faixa nominal5.2. Amplitude da faixa nominal5.3. Valor nominal5.4. Faixa de medição5.5. Condições de utilização5.6. Condições limites5.7. Condições de referência5.8. Constante de um instrumento5.9. Característica de resposta5.10. Sensibilidade5.11. (Limiar de) Mobilidade

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5.12. Resolução (de um dispositivomostrador)

5.13. Zona morta5.14. Estabilidade5.15. Discrição5.16. Deriva5.17. Tempo de resposta5.18. Exatidão de um instrumento de medição5.19. Classe de exatidão5.20. Erro (de indicação) de um instrumento

de medição5.21. Erros máximos admissíveis (de um

instrumento de medição)Limites de erros admissíveis (de uminstrumento de medição)

5.22. Erro no ponto de controle (de uminstrumento de medição)

5.23. Erro no zero (de um instrumento demedição)

5.24. Erro intrínseco (de um instrumento demedição)

5.25. Tendência (de um instrumento demedição)

5.26. Isenção de tendência (de uminstrumento de medição)

5.27. Repetitividade (de um instrumento demedição)

5.28. Erro fiducial (de um instrumento demedição)

6. PADRÕES.

6.1. Padrão6.2. Padrão internacional6.3. Padrão nacional6.4. Padrão primário6.5. Padrão secundário6.6. Padrão de referência6.7. Padrão de trabalho6.8. Padrão de transferência6.9. Padrão itinerante6.10. Rastreabilidade6.11. Calibração

Aferição6.12. Conservação de um padrão6.13. Material de referência (MR)6.14. Material de referência certificado (MRC)

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instrumentação básica aplicada.pdf