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8/4/2019 instrumentacao_2

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SENAIDepartamento Regional do Esprito Santo 1

CPM Programa de Certificao do Pessoal de Manuteno

Instrumentao Bsica II

Vazo, Temperatura e Analtica

Instrumentao


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MEDIO DE VAZO

1 - INTRODUONa maioria das operaes realizadas nos processos industriais muito importante efetuar amedio e o controle da quantidade de fluxo de lquidos, gases e at slidos granulados,no s para fins contbeis, como tambm para a verificao do rendimento do processo.

Assim, esto disponveis no mercado diversas tecnologias de medio de vazo cada umatendo sua aplicao mais adequada conforme as condies impostas pelo processo.

Neste captulo abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicaes, e os princpiosfsicos envolvidos, bem como os testes, calibrao e suas interligaes eltricas em formade malhas de medio, registro, indicao e controle.

2 - DEFINIO

Vazo pode ser definida como sendo a quantidade volumtrica, mssica ou gravitacional deum fluido que passa atravs de uma seo de uma tubulao ou canal por unidade detempo.

Observao:A vazo tambm pode ser obtida pelo resultado da multiplicao da rea seccional pelamdia da velocidade do fluido.

2.1 - Vazo Volumtrica definida como sendo a quantidade em volume que escoa atravs de uma certa seo emum intervalo de tempo considerado. representado pela letra Q e expressa pela seguinteequao:

Q =Vt

Onde:

V = volume

t = tempo

2.1.1 - Unidades de Vazo Volumtricas

As unidades de vazo volumtricas mais utilizadas so: m3/s, m3/h, l/h, l/min GPM, Nm3/h eSCFH.

Na medio de vazo volumtrica importante referenciar as condies bsicas de pressoe temperatura, principalmente para gases e vapor pois o volume de uma substnciadepende da presso e temperatura a que est submetido.


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2.2 - Vazo Mssica

definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seo de uma

tubulao por unidade de tempo. representada pela letra Qm e expressa pela seguinteequao:

Qm =mt

Onde:

m = massa

t = tempo

2.2.1 - Unidades de Vazo MssicaAs unidades de vazo mssica mais utilizadas so: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h.

2.3 - Relao Entre Unidades

A relao entre as unidades de medio de vazo volumtrica e mssica pode ser obtidapela seguinte expresso:

Qm = . Qv

Onde:

= massa especfica

2.4 - Vazo Gravitacional

a quantidade em peso que passa por uma certa seo por unidade de tempo. representada pela letra Q e expressa pela seguinte equao:

Q = Wt

Onde:

W = peso

2.5 - Unidade Gravitacional

As unidades de vazo gravitacional mais utilizadas so: kgf/h e lbf/h.


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3 - CONCEITOS FSICOS BSICOS PARA MEDIO DE VAZO

3.1 - Calor Especfico

Define-se calor especfico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido auma unidade de massa duma substncia pela variao infinitesimal de temperaturaresultante deste aquecimento.

Na prtica, temos: A quantidade de calor necessria para mudar a temperatura de 1 gramade uma substncia em 1C.

O conhecimento do calor especfico de determinada substncia muito importante para umbom controle da vazo.

Para exemplificar, podemos citar o caso em que se deseja controlar a vazo de um fluido noestado gasoso, tendo uma placa de orifcio como elemento primrio.

necessrio que se conhea a relao k do calor especfico do gs a ser medido, parapodermos calcular o seu coeficiente de correo da expanso trmica, e posteriormentedimensionar a placa de orifcio.

Esta relao do calor especfico K a relao do calor especfico de um volume constanteCV relativo ao calor especfico da presso constante CP do gs.

Equao ( 1 )

Onde:

k = relao dos calores especficos

CP = calor especfico presso constante J/Kg x K

CV = calor especfico a volume constante J/kg x K

K! Temperatura em Kelvin

3.2 - Viscosidade

definida como sendo a resistncia ao escoamento de um fluido em um duto qualquer.Esta resistncia provocar uma perda de carga adicional que dever ser considerada namedio de vazo.

3.2.1 - Viscosidade absoluta ou dinmica

Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se ope ao movimento relativo desuas molculas e ao movimento de corpos slidos que nele estejam. representada pelaletra grega (mi).

3.2.2 - Unidade absoluta ou dinmica

As unidades de viscosidade dinmicas mais utilizadas na indstria so:

Pa . s, Poisedyna.S

cm2

e centipoise

k = CP/CV


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3.2.3 - Viscosidade cinemtica

a relao entre a viscosidade absoluta e a massa especfica de um fluido, tomados mesma temperatura. representada pela letra (ni).

3.2.4 - Unidade de Viscosidade Cinemtica

As unidades de viscosidade cinemtica mais utilizadas na indstria so:

m2/s, stoke (cm2/s) e centistoke.

3.3 - Tipos de Escoamento

3.3.1 - Regime Laminar

Se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concntricas, dependendo daforma do duto, sem passagens das partculas do fluido de uma camada para outra e semvariao de velocidade, para determinada vazo.

3.3.2 - Regime Turbulento

Se caracteriza por uma mistura intensa do lquido e oscilaes de velocidade e presso. Omovimento das partculas desordenado e sem trajetria definida.

3.4 - Nmero de Reynolds

Nmero adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regimelaminar ou turbulento. Sua determinao importante como parmetro modificador doscoeficiente de descarga.

Re =V.D

Onde:

V - velocidade (m/s)

D - dimetro do duto (m)

- viscosidade cinemtica (m2/s)

Observao:

Na prtica, se Re > 2.320, o fluxo turbulento, caso contrrio sempre laminar.

Nas medies de vazo na indstria, o regime de escoamento na maioria dos casosturbulento com Re > 5.000.


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3.5 - Distribuio de Velocidade em um Duto

Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade no ser a mesma em

todos os pontos.Ser mxima no ponto central do duto e mnima na parede do duto.

3.5.1 - Regime Laminar

caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenas develocidades so maiores.

Vx= Vmx. 1x

R

2

Fig. 01

3.5.2 - Regime Turbulento

caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suasdiferenas de velocidade so menores.

Vx= Vmx. 1

x

R

1n

Fig. 02

Observao:

Por estas duas frmulas percebe-se que a velocidade de um fluido na superfcie da seode um duto zero (0). Podemos entender o porque da velocidade nas paredes datubulaes considerando tambm o atrito existente entre o fluido e a superfcie dastubulaes.


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Fig. 03

Vx = velocidade num ponto qualquer da seoVmx = velocidade no eixo central da seorx = raio da seon = coeficiente varivel que depende do nmero de Reynold.

TABELA -Relao entre Red e N

N REYNOLDS

Red x 104n N REYNOLDS

Red x 104n

2 . 55 7 . 0 64 . 00 8 . 8

10 . 54 7 . 3 70 . 00 9 . 0

20 . 56 8 . 0 84 . 40 9 . 2

32 . 00 8 . 3 110 . 00 9 . 4

38 . 40 8 . 5 152 . 00 9 . 7

39 . 56 8 . 5 198 . 00 9 . 8

42 . 80 8 . 6 235 . 20 9 . 8

53 . 60 8 . 8 278 . 00 9 . 9

57 . 20 8 . 8 307 . 00 9 . 9


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4 - TIPOS E CARACTERSTICAS DOS MEDIDORES DE VAZO

Existem trs tipos fundamentais de medidores de vazo: indiretos, diretos e especiais.

1 - Medidores indiretosutilizando fenmenosintimamenterelacionados aquantidade de fluidopassante

I - Perda de carga varivel(rea constante)

Tubo Pitot Tubo de Venturi

Tubo de Dall

Annubar

Placa de orifcio

II - rea varivel (perda decarga constante)

Rotmetro

2 - Medidores diretos devolume do fluidopassante

I - Deslocamento positivodo fluido

Disco Nutante

Pisto flutuante

Rodas ovais

Roots

II Velocidade peloimpacto do fluido

Tipo Hlice

Tipo turbina

3 - Medidores especiais Eletromagnetismo Vortex

Ultra-snico

Calhas Parshall

Coriolis

4.1 - Medio de Vazo por Perda de Carga Varivel

Considerando-se uma tubulao com um fluido passante, chama-se perda de carga dessatubulao a queda de presso sofrida pelo fluido ao atravess-la. As causas da perda decarga so: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudana de presso e velocidadedevido a uma curva ou um obstculo, etc.

Os diversos medidores de perda de carga varivel usam diferentes tipos de obstculos aofluxo do lquido, provocando uma queda de presso. Relacionando essa perda de pressocom a vazo, determina-se a medio de vazo pela seguinte equao:

pT

Tp

Pp

PKQ =

1

1


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Onde:

Q = vazo do fluido do local doestreitamento

K = constante

P1 = Presso Medida

Pp = Presso de Projeto

T1= Temperatura medida

Tp = Temperatura de projeto

P = perda de carga entre o fluxo, amontante e jusante do estreitamento.

fig 4


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4.1.1 - Medio de Vazo atravs do Tubo de Pitot

um dispositivo utilizado para medio de vazo atravs da velocidade detectada em um

determinado ponto de tubulao.O tubo de Pitot um tubo com uma abertura em sua extremidade, sendo esta, colocada nadireo da corrente fluida de um duto, mas em sentido contrrio. A diferena entre apresso total e a presso esttica da linha nos fornecer a presso dinmica a qual proporcional ao quadrado da velocidade.

Fig. 05 - Presso total, presso esttica e presso dinmica

Utilizando o tubo pitot, determina-se um diferencial de presso, que corresponde a pressodinmica e com o valor dessa presso atravs da frmula abaixo, obtemos a velocidade deum ponto de medio.

PD =V2

2gou V2 =

PDx g 2

para fluidos incompressveis

Onde:PD = presso dinmica em kgf/cm2

= peso especfico do fluido em kgf/m3

V = velocidade do fluido em m/sg = acelerao da gravidade m/s2

O tubo de Pitot mede apenas a velocidade do ponto de impacto e no a velocidade mdiado fluxo. Assim sendo, a indicao da vazo no ser correta se o tubo de impacto no forcolocado no ponto onde se encontra a velocidade mdia do fluxo.

Pesquisadores, concluram que o valor da velocidade mdia seria 0,8 da velocidade mximado duto.

Velocidade mdia = 0,8 * Velocidade mxima


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Atravs deste dado podemos concluir que para determinarmos a vazo em uma tubulao apartir da velocidade mxima da mesma bastaria multiplicarmos este valor (v mx) pelo fator0,8 e em seguida multiplicarmos pela seo do tubo. Para a determinao da velocidade

mdia em uma tubulao recomenda-se medir pelo menos em dois pontos perpendicularesconforme figura 06, fazendo a mdia destas velocidades teremos a velocidade mdia datubulao.

Fig. 06 - Determinao de velocidade mdia

Em termos prticos, para se determinar a velocidade mdia do fluido no interior de um duto,utiliza-se a tomada de impacto do tubo de pitot entre 0,25 x D e 0,29D em relao a parededo tudo, pois nesta posio a velocidade do fluido se iguala velocidade mdia do fluido.

Observao:

1. O eixo axial do tubo de pitot deve ser paralelo ao eixo axial da tubulao e livre devibraes.

2. O fluido dever estar presente em uma nica fase (lquido, gs ou vapor) e ter velocidadeentre 3 m/s a 30 m/s para gs e entre 0,1 m/s e 2,4 m/s para lquidos.


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- Placa de Orifcio

De todos os elementos primrios inseridos em uma tubulao para gerar uma presso

diferencial e assim efetuar medio de vazo, a placa de orifcio a mais simples, de menorcusto e portanto a mais empregada.

Consiste basicamente de uma chapametlica, perfurada de forma precisa ecalculada, a qual instaladaperpendicularmente ao eixo datubulao entre flanges. Sua espessuravaria em funo do dimetro datubulao e da presso da linha, indodesde 1/16 a 1/4.

Fig.16 - Placa de Orifcio e Flange de Unio

O dimetro do orifcio calculado de modo que seja o mais preciso possvel, e suasdimenses sejam suficientes para produzir mxima vazo uma presso diferencialmxima adequada.

essencial que as bordas do orifcio estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas,

corrodas pelo fluido, a preciso da medio ser comprometida. A placa de orifcio podeser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadasde impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o outro em um ponto noqual a velocidade, devido restrio, seja mxima. Este ponto no prprio orifcio porque,devido inrcia do fluido, a rea de sua seco transversal continua a diminuir aps passaratravs do orifcio, de forma que sua velocidade mxima est a jusante do orifcio, na venacontracta. neste ponto que a presso mais baixa e a diferena de presso a maisacentuada. Outros tipos de tomadas de presso conforme veremos mais adiante, tambmso utilizadas.

As placas de orifcio so costumeiramente fabricadas com ao inoxidvel, monel, lato, etc.A escolha depende da natureza do fluido a medir.

4.1.5.1 - Tipos de orifcios

a) Orifcio Concntrico

Este tipo de placa de orifcio utilizado para lquido, gases e vapor que no contenhamslidos em suspenso. Podemos ver sua representao a seguir:


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4.3 - Transmissor de Vazo por Presso Diferencial

Os transmissores de vazo por presso diferencial se baseiam nos mesmos princpios

fsicos utilizados na tecnologia de medio de presso. Assim, so utilizados os tipospiezoeltrico; strain-gauge, clula capacitiva, etc..., para medir a presso diferencial impostapor um elemento deprimogenio cuidadosamente calculado para permitir a obteno da faixade vazo que passa por um duto, conforme j visto em tpicos anteriores. Como a pressodiferencial relativamente baixa, as faixas de medio destes transmissores so expressasnormalmente em mmH2O, kPa ou polegada de gua.

4.4 - Extrator de Raiz Quadrada

Uma das maneiras mais utilizadas para se medir a vazo de um fluido qualquer em umprocesso industrial aproveitar-se da relao entre vazo e presso deste fluido. Para isto,so utilizados elementos deprimognios, tais como placas de orifcio, que atuam comoelementos primrios e possibilitam efetuar a medio de uma presso diferencial que

correspondente vazo que passa por ele. Porm, essa relao no linear e simquadrtica. Desta forma so utilizadas unidades aritmticas denominadas Extrator de RaizQuadradacuja funo a de permitir que valores medidos pelos transmissor representem avazo medida. Esta funo, extrator de raiz, pode estar incorporada ao transmissor, estarseparada como um instrumento ou at mesmo ser uma funo executada via software emsistema de controle, em um controlador digital ou at mesmo em um controlador lgicoprogramvel.

4.4.1 - Curva terica de um Extrator de Raiz

Percentualmente a curva terica sada/entrada de tais acessrios representada pela Fig.32.

As sadas (S) correspondentes s entradas (E) de 1; 4; 9; 25; 36; 49; 64; 81 e 100% sorespectivamente 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 e 100%, onde:

S% = 100E%100

Fig. 32 - Curva terica de extrao de raiz quadrada


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Qualquer que seja a tecnologia utilizada, o extrator de raiz quadrada ser basicamente umamplificador de ganho varivel, com ganho extremamente alto para baixos valores do sinalde entrada e ganhos baixos para altos valores do sinal de entrada.

4.4.2 - Frmulas de clculos tericos para o extrator

a) Valores tericos de entrada percentual em funo da sada:

E (%) =S

x(%)

100100

2

b) Valores tericos de sada percentual em funo da entrada:

S(%) =E

x(%)

100100

c) Valores tericos de sada em tenso em funo da entrada:

Vo = 4 1 1( )VI +

4.4.3 - Ponto de corte

Este ajuste consiste em se estabelecer um ponto inicial a partir do qual o sinal recebido peloextrator enviado para os instrumentos de recepo (controlador, registrador, etc...). Ele necessrio devido ao alto ganho do extrator no incio de sua faixa de trabalho e instabilidade dos sinais medidos pelo transmissor em baixos P, o que resultaria em

registro, totalizaes ou controles inadequados e inconfiveis.Para efeito de calibrao de extratores de raiz quadrada fisicamente constitudos pode-seusar a seguinte equao:

4.6 - Integrador de Vazo

As medies de vazo quase sempre tem por objetivo tambm apurar o consumo ao longo

de um tempo pr-estabelecido de um determinado fluido usado em um processo detransformao industrial qualquer. Isto importante pois sua quantificao permite levantarcustos para conhecer gastos e efetuar cobranas de fornecimento.

Para conhecer esse consumo feito a integrao dos valores instantneos de vazo edesta forma obtido, aps um perodo determinado, o total consumido. Essa operao feita por um instrumento denominado integrador de sinal.

Vo = [(Vmax - Vmin) x%corte

100] + 1


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5 - MEDIO DE VAZO POR REA VARIVEL

Rotmetro so medidores de vazo por rea varivel nos quais um flutuador varia sua

posio dentro de um tubo cnico, proporcionalmente vazo do fluido.Basicamente um rotmetro consiste de duas partes:

1) Um tubo de vidro de formato cnico que colocado verticalmente na tubulao, em quepassar o fluido a ser medido e cuja extremidade maior fica voltada para cima.

2) No interior do tubo cnico, um flutuador que se mover verticalmente, em funo davazo medida.

Fig. 33 - Rotmetro


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5.1 - Princpios Bsicos do Rotmetro

O fluido passa atravs no tubo da base para o topo. Quando no h vazo o flutuadorpermanece na base do tubo e seu dimetro maior usualmente selecionado de tal maneira

que o bloqueia a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando avazo comea e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, pormcomo o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo no suficiente paralevantar o flutuador.

Com a vazo, surge tambm uma fora de atrito, entre o fluido e o flutuador, que tende aleva-lo para cima, a chamaremos de fora de arraste. Quando a vazo atinge um valor quefaa a fora de arraste ser maior que a fora peso do flutuador, este comear a subir. Se otubo fosse paralelo o flutuador subiria at o topo; mas sendo cnico a fora de arrastediminui a medida que o flutuador sobe at estabilizar em uma nova posio(pois aumenta area disponvel para a passagem do fluido).

Qualquer aumento na vazo movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro ea diminuio causa uma queda a um nvel mais baixo. Cada posio sua corresponde a umvalor determinado de vazo e somente um. somente necessrio colocar uma escalacalibrada na parte externa do tubo e a vazo poder ser determinada pela observaodireta da posio do flutuador.

5.2 - Condies de Equilbrio

As foras que atuam no flutuador esto representadas na figura a seguir.

Fig. 34 - Condies de equilbrio


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Para as condies de equilbrio empregamos as seguintes equaes:W = vf . fF = vf . 1

E = cd . 1 . Af . Vg

2

2

Em que:W = peso do flutuadorvf = volume do flutuadorf = peso especfico do flutuador!= peso especfico do fluidoF = fora de arraste do fluido sobre o flutuadorE = fora de empuxo do fluido sobre o flutuadorCd = coeficiente de arraste do fluido sobre o flutuadorV = velocidade do fluidoAf = rea da seo do flutuadorAw = seo interior do tubo (livre)

Resolvendo as equaes anteriores, temos:

V =2 1

1

g vf f

cd Af

( )

. .

O valor Cd depende da viscosidade do fluido e da aerodinmica do flutuador. Por

convenincia incorporamos o termo1

Cda este coeficiente de descarga passando a

expresso anterior para:

V = Cd .2 1

1

g vf f

Af

( )

.

Como a vazo igual a:

Q = V . Aw

Sendo Aw = seo interna do tubo resulta:

Vazo em volume

Qv = Cd . Aw2 1

1

g vf f

Af

. ( )

.

F + E = W


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Ou em medidas de peso

Qw = cd Aw2 1

1

g vf f

Af

. ( )

.

Esta frmula permite determinar a vazo do fluido que passa atravs de um rotmetroconhecido.5.3 - Tipos de Flutuadores

Os flutuadores podem ter vrios perfis de construo. Na figura a seguir, podemos ver ostipos mais utilizados.

Fig. 35 - Tipos de flutuadores

1 - Esfrico

Para baixas vazes, e pouca preciso, sofre uma influncia considervel da viscosidade dofluido.

2 - Cilindro com bordo plana

Para vazes medias e elevadas sofre uma influncia mdia da viscosidade do fluido.

3 - Cilindro com bordo saliente de face inclinada para o fluxo

Sofre menor influncia da viscosidade do fluido.

4 - Cilindro com bordo saliente contra o fluxo

Sofre a mnima influncia da viscosidade do fluido


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5.4 - Ponto de Leitura em Funo do Formato do Flutuador

Dependendo do formato do flutuador temos um determinado ponto no qual devemos

realizar a leitura.

Fig. 36 - Ponto de leitura em funo do formato do flutuador

5.5 - Material FlutuadorO material mais empregado nos flutuadores o ao inoxidvel 316, sendo no entanto quena indstria para satisfazer exigncias de resistncia, corroso, etc., se utilizam outrosmateriais tambm.

As tabelas a seguir mostram os pesos especficos de diversos materiais empregados emflutuadores.

Veja a tabela a seguir:

a) Materiais utilizados em flutuadores e seus pesos especficos

g/cm3 g/cm3

Alumnio 2,72 Inox 8,04

Bronze 8,78 Hastelloy B 9,24

Durimet 8,02 Hastelloy C 8,94

Monel 8,84 Chumbo 11,38

Nquel 8,91 Tantalo 16,60

Borracha 1,20 Teflon 2,20

Inox 303 7,92 Titnio 4,50

b) Materiais utilizados em flutuadores esfricos

g/cm3 g/cm3

Vidro de Borosilicato 2,20 Inox 316 8,04

Alumnio 2,72 Monel 8,64

Safira 4,03 Carboloy 14,95

Inox 304 7,92 Tantalo 16,60


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5.6 - Perda de Carga no Flutuador

A perda de carga no rotmetro constante em todo o percurso do flutuador e pode serdeterminada a partir da expresso seguinte:

p =Wf vf

Af . 1

Em que:

Wf = peso do flutuador

vf = volume do flutuador

1 = peso especfico do flutuador

Af = rea transversal mxima

5.7 - Instalao

Os rotmetros so montados verticalmente na tubulao do fluido, cuja vazo se desejamedir, e de maneira tal que o fluido seja dirigido de baixo para cima. Ele pode ser colocadodiretamente na tubulao ou em derivao como indicado na figura 37 e que se consideracomo ideal.

Nela o rotmetro instalado numa linha de by-pass e um sistema de vlvulas utilizadode tal forma que garanta o funcionamento do processo mesmo que o rotmetro tenha queser retirado para limpeza ou manuteno.

Fig. 37 - Rotmetro instalado em linha

6 - MEDIDORES DE VAZO TIPO DESLOCAMENTO POSITIVO


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7 - MEDIDORES DE VAZO POR IMPACTO DO FLUIDO

7.1 - Medidor Tipo Turbina

Um medidor de vazo tipo turbina, conforme a figura a seguir, consiste basicamente de umrotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotaoparalelo a direo do fluxo. O rotor acionado pela passagem de fluido sobre as palhetasem ngulo; a velocidade angular do rotor proporcional velocidade do fluido que, por suavez, proporcional vazo do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo domedidor, detecta o movimento do rotor.

Esta bobina alimentada, produzindo um campo magntico. Como as palhetas do rotor sofeitas de material ferroso, medida que cada palheta passa em frente bobina corta o

campo magntico e produz um pulso. O sinal de sada uma seqncia de pulsos detenso, em que cada pulso representa um pequeno volume determinado de lquido. O sinaldetectado linear com a vazo. Unidades eletrnicas associadas permitem indicar a vazounitria ou o volume totalizado, podendo efetuar a correo automtica da temperatura e/oupresso e outras funes.

Embora a teoria bsica de um medidor a turbina seja muito simples, o projeto detalhado muito trabalhoso e complexo, o desempenho final depende de numerosos fatores, taiscomo: ngulo da palheta, o tipo de mancais, o nmero de palhetas, bem como a usinageme montagem dentro das tolerncias rgidas.


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Um medidor de turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada preciso numafaixa de vazo superior a 10:1 e excelente repetibilidade. Ademais, pequeno e leve (emrelao ao tubo) e tem alta capacidade de vazo para um dado tamanho de medidor. A

instalao de um medidor de turbina uma operao mais simples. Por conseguinte, osmedidores de turbina so amplamente usados em medies de transferncia com fins defaturamento para produtos, tais como: leo cru, petrleo bruto, gs....

Um medidor de turbina uma unidade verstil: possui uma faixa de presso e temperaturamuito ampla., e uma vez que o mesmo fabricado em ao inoxidvel, compatvel comuma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia, devem ser relativamente limpos, no ter altaviscosidade e a vazo deve ser em regime laminar.

Linearizadores de fluidos

Para estes medidores muito importante a linearizao da vazo, acima temos doisexemplos de linearizadores que so instalados dentro da tubulao.

a) Fator do Medidor

O nmero de pulsos por unidades de volume denominado Fator do Medidor.

Fator de medidor =n de pulsos

volume

o

Como exemplo podemos citar:

Se uma turbina gera 15.000 pulsos quando tivermos escoando pela mesma 3,0 m3 de umproduto qualquer, seu fator ser:

Fator de medidor =15 000

3 0.,

= 5.000 pulsos/m3


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8 - MEDIDORES ESPECIAIS

Os medidores de vazo tradicionais apresentam algumas limitaes como: seus sensores

primrios precisam ser submersos no fluxo a ser controlado, estas caractersticas tem adesvantagem de produzir perda de presso na linha como tambm o acmulo de partculasou impurezas no sensor, proporcionando resultados incertos de medio. Os medidores devazo do tipo especial objetivam superar exatamente essas limitaes.

8.1 - Medidor de Vazo por Eletromagnetismo

O princpio de medio baseado na lei de Faraday que diz que:

Quando um condutor se move dentro de um campo magntico, produzida uma fora eletromotriz (f.e.m.) proporcional a suavelocidade.

Vamos supor que ns temos um campo magntico, com densidade de fluxo magntico igual

a B (gauss), aplicado a uma seo de uma tubulao com dimetro D (cm).Se a velocidade mdia do fluido que passa pela tubulao igual a V (cm/seg), quandocolocamos um par de eletrodos em uma posio perpendicular ao fluxo magntico, teremosuma fora eletromotriz E(V) induzida nestes eletrodos, e a sua amplitude dada por:

E = B . D . V

A figura ilustra a disposio fsica dos componentes do medidor em uma tubulao.

Fig. 44 - Medidor de vazo eletromagntico

B! Densidade do fluxo magntico [ weber/m2]

D! Distncia entre os eletrdos [m]

V! Velocidade do fluxo [m/s]

E! Tenso induzida [Volts]


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Como ns sabemos a vazo (Q) de um fluido em um tubo dada por:

Q = 4 . D2 . V

Tirando o valor da velocidade (V) da equao acima e substituindo na equao anterior.Teremos a vazo (Q) dada em funo da densidade de fluxo magntico (B), foraeletromotriz induzida (E) e o dimetro da tubulao.

Q =4

.EB

. D

Como podemos observar pela equao, variaes na densidade de fluxo magntico (B)provoca erro direto no valor de vazo (Q).

A influncia das variaes de (B) no sinal de vazo (Q) eliminada pelo transmissor, quetambm amplifica o microsinal que vem do detector de modo que esse sinal possa operaros instrumentos de recepo.

O medidor de vazo eletromagntico utiliza um campo magntico com forma de ondaquadrada em baixa freqncia, e l o sinal de vazo quando o fluxo magntico estcompletamente saturado fazendo com que no ocorra influncia no sinal devido aflutuaes de corrente.

Todos os detectores so ajustados de maneira que a relao da tenso induzida (E) pela

densidade de fluxo magntico (B) seja mantida em um valor proporcional, somente velocidade mdia do fluxo, independente do dimetro, alimentao e freqncia.

Observaes:

1 - de suma importncia que a parede interna da tubulao no conduza eletricidade eque a parte do tubo ocupada pelo volume definido pelas bobinas no provoque distoresno campo magntico.

2 - As medies por meio de instrumentos magnticos so independentes de propriedadesdo fluido, tais como a densidade, a viscosidade, a presso, a temperatura ou mesmo o teorde slidos.

3 - Que o fluxo a ser medido seja condutor de eletricidade.


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Fig. 45 - Princpio de funcionamento de medidor magntico de vazo

Fig. 46


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8.2 - Medidor de Vazo por Ultra-som

A tcnica de medio de vazo por ultra-som vem adquirindo crescente importncia para a

medio industrial de vazo de fluidos em tubulaes fechadas. Como a medio de vazoultra-som feita, geralmente, sem contato com o fluido no h criao de turbulncia ouperda de carga, que era causada pelos medidores de vazo como placas de orifcio, entreoutros. Alm disso, possibilita a medio de vazo de fluidos altamente corrosivos, lquidosno condutores, lquidos viscosos .

Alm das vantagens j mencionadas, os medidores de vazo ultrasnicos possuem ainda:

Preciso relativamente elevada (0,5% no fim da escala)

Maior extenso da faixa de medio com sada linear.

Apresentam garantia elevada, pois no possuem peas mveis em contato com ofluido no sendo sujeitas a desgaste mecnico.

Possibilita medio em tubos com dimetros que vo de 1 a 60 polegadas.

A medio essencialmente independente da temperatura, da densidade, daviscosidade e da presso do fluido.

Entre as desvantagens podemos citar:

Custo elevado na aplicao em tubos de pequenos dimetros.

Tipos de medidores

Basicamente os medidores de vazo por ultra-som podem ser divididos em dois tiposprincipais.

Medidores a efeito DOPPLER

Medidores por tempo de passagem

Princpio de Funcionamento

O medidor de vazo ultra-snico se fundamenta no princpio da propagao de som numlquido. A noo que os pulsos de presso sonora se propagam na gua velocidade dosom, vem desde os dias do primeiro desenvolvimento do sonar.

Num medidor de vazo, os pulsos sonoros so gerados, em geral, por um transdutorpiezoeltrico que transforma um sinal eltrico em vibrao, que transmitida no lquidocomo um trem de pulsos.

Quando um pulso ultra-snico dirigido a jusante, sua velocidade adicionada velocidadeda corrente. Quando um pulso dirigido montante, a velocidade do impulso no lquido desacelerada pela velocidade da corrente.

Baseado nessas informaes possvel determinar a vazo de fluidos por ultra-som.Vejamos a seguir o princpio de funcionamento dos dois tipos de medidores mencionados.


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a) Medio por tempo de passagem

Estes medidores no so adequados para medir fluidos que contm partculas.

Seu funcionamento se baseia na medio da diferena de velocidade de propagao dospulsos ultra-snicos, quando aplicados a jusante ou a montante. Essa diferena develocidade acarreta uma diferena de tempo na passagem dos dois sentidos. A diferenados tempos de passagem proporcional velocidade do fluxo e tambm vazo,conhecida a geometria do fluxo. Por esta razo, instalam-se sobre uma tubulao duasunidades transmissoras/receptoras de ultra som (unidades 1 e 2 da figura 47) de tal formaque a sua linha de ligao, de comprimento L, forme um ngulo com o vetor develocidade de fluxo no tubo (admite-se que a velocidade mdia de fluxo seja V).

Fig. 47 - Princpio da medio ultra-snica por tempo de passagem

O tempo de passagem de um sinal ultra-snico de 2 para 1 no sentido da corrente (ajusante) de:

T21 =L

co V+ . cos

No sentido de contracorrente (a montante), o pulso acstico necessita de um tempo maiorde passagem, ou seja:

T12 =L

co V . cos

Onde:

Co = velocidade do som no fluido medido

L = comprimento do feixe medidor

= ngulo de inclinao do feixe medidor em relao ao vetor de VV = velocidade mdia do fluido.

A diferena dos tempos de passagem T (T = T12 - T21) proporcional velocidade dofluxo V bem como velocidade do som (Co) no fluido. Sendo possvel determinar oucompensar a velocidade do som Co por outros meios. A diferena do tempo de passagemT fica sendo diretamente proporcional velocidade de fluxo V, e consequentemente avazo QV, desde que os dados geomtricos do tubo sejam conhecidos. Na prtica,


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entretanto, para conseguirmos preciso de medidas da ordem de 1% seria necessriocircuitos com velocidade de processamento de sinais muito alta.

Devido a isso foram desenvolvidos processos que permitem detectar a diferena do tempo

de passagem T com a alta preciso exigida. So eles: processo de freqncia de repetio de impulso

medio direta por tempo de passagem

Vejamos rapidamente como funcionam estes 2 processos:

a) Processo de Freqncia de repetio de impulso

Este mtodo, que foi o primeiro a ser aplicado para medio ultra-snica de vazo, consisteno seguinte:

primeiramente um pulso de ultra-som emitido do cabeote 2, para o cabeote 1.O cabeote 1 acusa o recebimento do sinal e desta forma obtm-se a freqnciaF2 da emisso do pulso com a durao peridica de 1/T21.

Assim que o pulso de ultra-som atinge o cabeote 1, este, atravs de um pulso dedisparo emite novo pulso em direo oposta. Desta forma obtm-se a freqnciaF1 da reflexo do pulso com durao peridica de 1/T12.

De posse dos dois valores de freqncia podemos determinar a variao entre elas.

F = F2 - F1 =1 1

21 12T T

F =Co V

LCo V

L+

. cos . cos

F = 2 . (cos ) . V

L= K . V

Onde:

K =2 . (cos )

L

que uma constante do medidor

Neste mtodo, portanto, a medio de cada um dos tempos de passagem transformadaem uma medio de diferena de freqncia que, no ponto de vista tcnico, ofereceinicialmente maior facilidade de processamento. A diferena de freqncia F linearmenteproporcional velocidade do fluxo na tubulao e, com isso, diretamente proporcional avazo, no dependendo mais da velocidade do som (Co) no fluido medido.

b) Medio direta de tempo de passagem


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Tambm neste sistema o primeiro passo a emisso de um sinal de ultra-som do cabeote2 para o cabeote 1 e a consequente medio do tempo de passagem T 21. Assim que essepulso captado pelo receptor 1, ocorre a emisso de um sinal no sentido contrrio, do

cabeote 1 para o 2, sendo ento medido o tempo de passagem T12, e assim por diante.A figura 48 ilustra os dois tempos de propagao:

Fig. 48 - Princpio da medio direta por tempo de passagem

Desta forma tem-se que:

T = T21 - T12 = 22 2 2. . cos

. cosL V

Co V+

Como o valor de Co para fluido de aproximadamente 10.000 m/s, o termo V2 cos2 pode ser desprezado em relao a Co2. Logo, temos que:

T = 22

. . cosL V

Co

Por outro lado, no caso de V = 0 m/s, tem-se que:

T21 + T12 =L

Co

L

Co

L

Co

+ =2


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Logo:

Co = -2

21 12

L

T T+

Substituindo Co na equao, temos:

T =2

1221

2

cos..2

+

TT

L

VL T = V . 21221 )(.

2

cosTT

L+

Ou ento:

V = K .T

T T( )21 12+

Sendo:

K =2L

cos = constante do medidor

Assim sendo, podemos verificar que o tempo de passagem direta e linearmenteproporcional apenas velocidade do fluxo, tornando-se independente da velocidade do som

(Co) no fluido medido.Os medidores de vazo que operam pelo processo de tempo de passagem, podem serutilizados em tubulaes com dimetros nominais de 25 a 3.000 mm.

b) Medidores a efeito DOPPLER

A freqncia de uma onda sofre alteraes quando existe movimento relativo entre a fonteemissora e um receptor. A variao da freqncia em funo da velocidade chamada deefeito DOPPLER.

Quando uma partcula refletora se movimenta em relao a um receptor igualmenteestacionrio. A variao da freqncia proporcional a velocidade relativa entre emissor e oreceptor, ou seja, entre a partcula refletora e o receptor (f igura 49).

Fig. 49 - Princpio da medio Doppler


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Embora primeira vista parea um tanto complicado, o efeito DOPPLER encontra mltiplasaplicaes na vida diria. O controle de trfego por radar, por exemplo, utiliza este efeito,servindo o veculo como refletor. O deslocamento de freqncia entre o sinal emitido e

refletido proporcional velocidade do veculo verificado. Este processo pode servirigualmente para a medio da velocidade mdia do fluxo e, consequentemente, da vazoem uma tubulao, desde que o fluido a medir contenha partculas refletoras em quantidadesuficiente, tais como slidos ou bolhas de gs, e desde que a distribuio destas partculasdentro do fluido permitir concluses quanto velocidade mdia do fluxo.

Vejamos agora, como feita esta medio. O emissor e o receptor de ultra-som acham-sealojados lado a lado, dentro de um cabeote medidor. O sinal de medio com freqncia eamplitude constantes, transmitido do emissor para o vetor V, da velocidade do fluxo, nongulo . A posio do emissor e do receptor ajustado de tal forma que suascaractersticas direcionais formem um ngulo .

Quando o sinal emitido incide numa partcula conduzida pelo fluxo, a reflexo faz suafreqncia alterar-se em:

F = 2 fo .cos Co

. V

Onde:

fo = freqncia de emisso

= ngulo de entrada do feixe

Co = velocidade do som no fluido medidoV = velocidade mdia do fluxo

Desta forma temos que a variao de freqncia F diretamente proporcional avelocidade do fluido e consequentemente vazo.

A utilizao do mtodo de medio por efeito DOPPLER implica em uma concentraomnima de 5% de partculas refletoras ou bolhas de ar dentro da corrente do fluido.

Alteraes na concentrao de partculas no exercem influncia sobre o resultado damedio.


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8.3 Medidores tipo VORTEX

O efeito vortex pode ser observado no vibrar de fios ou cordas ao vento, ou ainda

em uma bandeira que tremula. Os vortex gerados repetem-se num tempo inversamenteproporcional vazo.

Transmissor de vazo Vortex

Nasaplicaes industriais pode-se medir a vazo de gases , lquidos incorporandoao obstculo reto sensores que percebam as ondas dos vortex e gerem um sinal emfreqncia proporcional vazo.


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8.5 Medidor tipo Coriolis

Este medidor de vazo utiliza um fenmeno fsico que envolve a inrcia e a aceleraocentrpeta.A vazo de uma tubulao dividida em duas por dois tubos paralelos que possuem

forma de U , e ao fim destes tubos a vazo volta a ser conduzida por um nico tubo.Prximo da parte inferior de cada U existem eletroims que fazem os dois tubos

oscilarem em suas frequncias naturais de vibrao e cuja a amplitude no ultrapassaalguns milmetros. Com o passar de fluido pelos tubos, em funo desta oscilao, surgeuma toro nos tubos cuja defasagem permite a medio da vazo mssica. Estadefasagem medida por sensores magnticos instalados nas partes retas dos tubos em

U.Este tipo de medidor pode ser utilizado para medies de fluxos de lquidos e gases,com ou sem slidos em suspenso.

Sensores de defasagem


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MEDIO DE TEMPERATURA1 - INTRODUO

Temperatura sem dvida a varivel mais importante nos processos industriais, e suamedio e controle, embora difceis, so vitais para a qualidade do produto e a seguranano s das mquinas como tambm do homem. No difcil de se chegar a esta concluso,basta verificar que todas caractersticas fsico-qumicas de qualquer substncia alteram-sede forma bem definida com a temperatura.

Assim sendo, uma determinada substncia pode ter suas dimenses, seu estado fsico(slido, lquido, gasoso), sua densidade, sua condutividade, etc ..., alterados pela mudana

conveniente de seu estado trmico.Ento, qualquer que seja o tipo de processo, a temperatura afeta diretamente o seucomportamento provocando, por exemplo:

ritmo maior ou menor na produo

uma mudana na qualidade do produto

um aumento ou diminuio na segurana do equipamento e/ou do pessoal

um maior ou menor consumo de energia

e, por conseguinte, um maior ou menor custo de produo.

2 - CONCEITO DE TEMPERATURA

Ainda que a temperatura seja uma propriedade bastante familiar, difcil encontrar-se umadefinio exata para ela. Estamos acostumados noo de temperatura antes de maisnada pela sensao de calor ou frio quando tocamos um objeto. Alm disso, aprendemoslogo, por experincia, que ao colocarmos um corpo quente em contato com um corpo frio, ocorpo quente se resfria e o corpo frio se aquece. Se esses corpos permanecem em contatopor um determinado tempo, eles parecero ter o mesmo grau de aquecimento ouresfriamento. Entretanto, sabemos que essa sensao no bastante segura. Algumasvezes os corpos frios podem parecer quentes e os corpos de materiais diferentes, que estona mesma temperatura, parecem estar a temperatura diferentes.

Isto acontece porque a temperatura uma propriedade de matria que est relacionadacom o movimento dos tomos de uma substncia. Normalmente estes tomos possuemuma determinada energia cintica que se traduz nas formas de vibraes ou deslocamentopara os lquidos e gases.

Quanto mais rpido o movimento das molculas, mais quente se encontra o corpo, e,quanto mais lento o movimento, mais frio se apresenta o corpo. Esta condio pode serdescrita como um potencial trmico ou como uma energia efetiva da substncia (energiacintica).


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Baseado nisto podemos conceituar a temperatura como sendo: A propriedade da matriaque reflete a mdia de energia cintica de um corpo.

Na prtica a temperatura representada em uma escala numrica, onde, quanto maior o

seu valor, maior a energia cintica mdia dos tomos do corpo em questo.

3 - ESCALAS DE TEMPERATURA

Desde o incio da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termmetrosentiam dificuldades para atribuir valores de forma padronizada temperatura por meio deescalas reproduzveis. Essa dificuldade fez com que se buscasse pontos nos quais sepudesse reproduzir de forma definida os valores medidos. Muitas escalas baseadas empontos diferentes foram desenvolvidas ao longo do tempo. Dentre elas as mais importantesforam a Fahreinheit, a Clesius, a Rankine e a Kelvin.

A escala Fahreinheit , ainda, utilizada nos Estados Unidos e em parte da Europa. Porm, atendncia de se usar exclusivamente nos processos industriais de todo o mundo a escalaCelsius.

A escala Rankine e a escala Kelvin, que so as escalas absolutas, so mais usadas nosmeios cientficos, sendo que atualmente usa-se quase que exclusivamente a escala Kelvin.

3.1 - Escala Celsius

A escala Celsius definida como sendo o intervalo de temperatura unitrio igual a 1 Kelvin,numa escala de temperatura em que o ponto 0 (zero) coincida com 273,15 K.

A identificao de uma temperatura na escala Celsius feita com o smbolo C colocado

aps o nmero; exemplo: 245,36C.A escala Celsius tem como valor 0 (zero) o ponto de fuso de gelo e como valor 100 oponto de ebulio da gua sendo estes pontos tomados na condio de presso igual a 1atm.

uma escala relativa obtida atravs da escala Kelvin, sendo esta relao definida pelaequao.

t = T - To

Onde:t = temperatura em C

T = temperatura em K

To = 273,15 K


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3.2 - Escala Fahreinheit

A escala Fahreinheit definida como sendo o intervalo de temperatura unitrio igual a 1grau Rankine, numa escala em que o ponto zero coincide com 459,67 R. A identificao deuma temperatura na escala Fahreinheit feita com o smbolo F colocado aps o nmero;exemplo: 23,40F.

A escala Fahreinheit tem como ponto de fuso do gelo o valor 32 e como ponto de ebulioda gua o valor 212, sendo estes pontos tomados na condio de presso igual a 1 atm.Esta escala tambm relativa, obtida pela escala Rankine conforme a relao definida pelaequao abaixo:

tf = T - To

Onde:

tf = temperatura em F

T = temperatura em R

To = 459,67 R

3.3 - Escala Kelvin (Temperatura Termodinmica)

A temperatura bsica a temperatura termodinmica (T), cuja unidade o Kelvin (K), que uma escala absoluta.

O Kelvin a frao 1/273,16 temperatura termodinmica do ponto triplo da gua.

Nota-se que, de acordo com a definio acima e a equao (t = T - 273,15 K), o ponto triploda gua ocorre 0,01C ( presso de 61,652 Pa).

K = 273,15 + C

Observao:

Ponto triplo o ponto em que as fases slida, lquida e gasosa encontram-se em equilbrio,(fig. 01).


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Fig. 01 - Diagrama presso-temperatura para mudana de estado fsico da gua

3.4 - Escala Rankine

Assim como a escala Kelvin, a escala Rankine uma escala absoluta, tendo como zeroabsoluto, o valor 0 (zero), porm ao ponto de fuso e ao ponto de ebulio da gua foramdados os valores de 491,67 e 671,67, respectivamente.

R = F + 459,67


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3.5 - Converso de Escalas

A figura abaixo compara as principais escalas de temperatura.

Fig. 02 - Comparao entre as escalas de temperatura

Desta comparao podemos retirar algumas relaes bsicas entre as escalas, colocandoem um mesmo ambiente quatro termmetros: um Celsius, um Fahreinheit, um Kelvin e umRankine.

As diferentes leituras representam, em escalas diversas, uma mesma temperatura.

A equao abaixo, nos permite relacionar a leitura de uma escala para outra, de umamesma temperatura.

9

67,491

5

15,273

9

32

5

=

=

=

RKFC


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Departamento Regional do Esprito Santo 93

8 - Recomendaes

Instalar o bulbo dentro de um poo protetor para permitir manuteno com

o processo em operao. No dobrar o capilar em ngulo acentuado.

O capilar no deve ser exposto temperaturas muito baixas ou temperaturas elevadas.

Quando usar o poo protetor, preencher entre o bulbo e o poo comglicerina, leo, etc., a fim de reduzir o atraso na resposta.

O comprimento mximo do capilar deste sistema deve ser de 50 m.

O bulbo e o elemento sensor devem ser instalados no mesmo nvel, a fimde evitar erros devido coluna lquida capilar.

10 - SENSORES DE TEMPERATURA TIPO BULBO DE RESISTNCIA

Um dos mtodos elementares para medio de temperatura envolve mudana novalor da resistncia eltrica de certos metais com a temperatura. So comumentechamados de bulbo de resistncia e por suas condies de alta estabilidade erepetibilidade, baixa contaminao, menor influncia de rudos e altssima preciso,so muito usados nos processos industriais.

Essas caractersticas aliadas ao pequeno desvio em relao ao tempo o TornouPadro Internacional (ITS-90) para a medio de temperatura na faixa de-259,3467C a 961,78C.

10.1 - Princpio de funcionamento

As termoresistncias ou bulbos de resistncia ou termmetro de resistncia ou RTD,so sensores que se baseiam no princpio de variao da resistncia hmica emfuno da temperatura. Elas aumentam a resistncia com o aumento datemperatura.

Seu elemento sensor consiste de uma resistncia em forma de fio de platina de altapureza, de nquel ou de cobre (menos usado) encapsulado num bulbo de cermicaou de vidro.

Entre estes materiais, o mais utilizado a platina pois apresenta uma ampla escalade temperatura, uma alta resistividade permitindo assim uma maior sensibilidade,um alto coeficiente de variao de resistncia com a temperatura, uma boalinearidade resistncia x temperatura e tambm por ter rigidez e dutibilidade para sertransformada em fios finos, alm de ser obtida em forma purssima. Padronizou-seento a termoresistncia de platina.

A equao matemtica que rege a variao de resistncia em funo datemperatura chama-se de equao Callendar-Van Dusen e que est mostradaabaixo:

Para o range de - 200 a 0C:

Rt = R0 . [1 + At + Bt

2

+ Ct

3

. (t - 100)]


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Para o range de 0 a 850C:

Rt = R0 [1 + At + Bt2]

Onde:

Rt = resistncia na temperatura t

R0 = resistncia a 0C

t = temperatura C

A, B e C = coeficientes determinados pela calibrao:

A = 3,90802.10-3 (C-1)

B = -5,802.10-1 (C-2)C = -4,27350.10-12 (C-4)

O nmero que expressa a variao da resistncia em funo da temperatura chamado de alfa () e se relaciona da seguinte forma:

=R R

R100 0

0100

.

( . -1 . C-1)

Onde:R100 = resistncia a 100C

R0 = resistncia a 0C

Um valor tpico de alfa para R100 = 138,50 de 3,850 . 10-3 . -1 C-1, segundo a

DIN-IEC 751/85.

10.2 - Construo Fsica do Sensor

O bulbo de resistncia se compe de um filamento, ou resistncia de Pt, Cu ou Ni,com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilizao.

As termoresistncias de Ni e Cu tm sua isolao normalmente em esmalte, seda,algodo ou fibra de vidro. No existe necessidade de protees mais resistentes temperatura, pois acima de 300C o nquel perde suas caractersticas defuncionamento como termoresistncia e o cobre sofre problemas de oxidao emtemperaturas acima de 310C.

Os sensores de platina, devido a suas caractersticas, permitem um funcionamentoat temperaturas bem mais elevadas, tm seu encapsulamento normalmente emcermica ou vidro. A este sensor so dispensados maiores cuidados de fabricaopois, apesar do Pt no restringir o limite de temperatura de utilizao, quando a

mesma utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminao dosfios.


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Os pontos fixos mais utilizados segundo a ITS-90 so:

Ponto Triplo do Argnio ................................... -189,3442C

Ponto Triplo da gua ....................................... +0,010C

Ponto de Solidificao do Estanho .................. +231,928C

Ponto de Solidificao do Zinco ....................... +419,527C

- Mtodo da Comparao

Para realizar este mtodo necessria a utilizao de um termmetro de resistnciapadro com certificado de calibrao.

Normalmente este padro um sensor Pt-25,5 a 0C. A comparao efetuadaem banhos de lquido agitado num range de aproximadamente -100 a 300C com

uma excelente estabilidade e homogeneidade. A leitura dos sinais feita em umaponte resistiva de preciso.

10.6 - Recomendaes na Instalao de Bulbos de Resistncia

Para que se tenha um perfeito funcionamento do sensor, so necessrios certoscuidados de instalao, bem como armazenagem e transporte, conforme segue:

Deve-se especificar materiais da proteo e ligaes capazes de operar natemperatura de operao requerida.

O sensor deve ser imerso completamente no processo, para se evitar a perda decalor por conduo pelos fios e bainha. Para tal, um comprimento mnimo deimerso e o uso de materiais de proteo com boa condutibilidade trmicatambm so recomendados.

Deve-se evitar choques mecnicos nas peas, pois estes podem danificar osensor.

Deve-se utilizar fios de cobre de mesmo comprimento e dimetro para ainterligao da termoresistncia.

Zonas de estagnao ou com baixas velocidades do fluido em contato com osensor, no devem ser utilizadas devido ao retardo e os erros causados medio.

Na ligao a 3 fios, se for necessrio a troca de um dos fios de interligao;

recomenda-se trocar os 3 fios para que se tenha igualdade em seus valoreshmicos.

Em locais sujeitos a rudos internos, recomenda-se o uso dos cabos blindados etorcidos.

Em locais sujeitos a vibrao, deve-se utilizar sensor com isolao mineral.

10.7 - Vantagens e Desvantagens na Escolha do Bulbo de Resistncia

A - Vantagens

a) Possuem maior preciso dentro da faixa de utilizao do que outros tipos desensores.

b) Tem boas caractersticas de estabilidade e repetibilidade.


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c) Com ligao adequada, no existe limitao para distncia de operao.

d) Dispensa o uso de fios e cabos especiais, sendo necessrio somente fios de

cobre comuns.e) Se adequadamente protegido (poos e tubos de proteo), permite a utilizao

em qualquer ambiente.

f) Curva de Resistncia x Temperatura mais linear.

g) Menos influncia por rudos eltricos.

B - Desvantagens

a) So mais caros do que os outros sensores utilizados nesta mesma faixa.

b) Baixo alcance de medio (mx. 630C).

c) Deterioram-se com mais facilidade, caso ultrapasse a temperatura mxima deutilizao.

d) necessrio que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura estabilizadapara a correta indicao.

e) Possui um tempo de resposta elevado.

f) Mais frgil mecanicamente.

g) Autoaquecimento, exigindo instrumentao sofisticada.


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11 - SENSORES DE TEMPERATURA TIPO TERMOPAR

11.1 - Introduo

A medio de temperatura tambm pode ser feita pela obteno de uma foraeletromotriz gerada quando dois metais de natureza diferente tem suasextremidades unidas e submetidas temperaturas distintas. Isto ocorre devido aosmetais distintos possurem densidades de eltrons livres especficos e quandounidos em suas extremidades provocar migrao desses eltrons do lado de maiordensidade para o de menor densidade ocasionando uma diferena de potencialentre os dois fios metlicos.Esta diferena de potencial no depende nem da rea de contato e nem de suaforma, mas sim da diferena de temperatura entre as extremidades denominadasjuno quente e fria. Esses sensores so chamados de termopares e sero objetode estudo nesse captulo.

11.2 - Efeitos Termoeleltricos

Quando dois metais so unidos em suas extremidades e estas mantidas diferentes temperaturas, trs fenmenos ocorrem simultaneamente que so:

11.2.1 - Efeito Seebeck

Esse efeito foi descoberto em 1821 pelo fsico alemo T. J. Seebeck quando eleobservou em suas experincias que em um circuito fechado formado por dois fiosde metais diferentes ocorre uma circulao de corrente enquanto existir umadiferena de temperatura entre suas junes, e que sua intensidade proporcional

diferena de temperatura e natureza dos metais utilizados.Em 1887, Le Chatelier (fsico Francs), utilizou pela primeira vez na prtica essadescoberta ao construir um termopar a partir de fios de platina e platina-rhodio a10% para medir temperatura. Esse termopar ainda hoje utilizado, em muitoslaboratrios, como padro de referncia.

A ( + )

B ( - )

TF

TQ

I

Fig. 26 - Circuito termoeltrico de Seebech.

11.2.2 - Efeito Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que, dado um par termoeltrico com ambas as junes mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa, produz-se uma corrente notermopar, as temperaturas das junes variam em uma quantidade no inteiramentedevido ao efeito Joule. A esse acrscimo de temperatura foi denominado efeito

Peltier.


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O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junoe no depende da temperatura de outra juno. O efeito Peltier no tem aplicaoprtica nos termopares e sim na rea de refrigerao com a utilizao de

semicondutores especiais.11.2.3 - Efeito Thomson

Em 1854, Thomson concluiu, que a conduo de calor ao longo dos fios metlicosde um termopar, que no transporta corrente, origina uma distribuio uniforme detemperatura em cada fio e, quando existe corrente, modifica-se em cada fio adistribuio da temperatura em uma quantidade no somente devido ao efeito Joule.A essa variao adicional na distribuio da temperatura denominou-se efeitoThomson.

11.3 - Leis Fundamentais dos Circuitos Termoeltricos

A base da teoria termoltrica nas medies de temperatura com termopares estfundamentada em trs leis que garantem a compreenso dos fenmenos queocorrem ao se utilizar os sensores tipo termopares na obteno de valoresinstantneos de temperatura em um processo industrial especfico.

11.3.1 - Lei do Circuito Homogneo

A fora eletromotriz (f.e.m.) termal desenvolvida em um circuito termoeltricoformado por dois metais homogneos mas de naturezas diferentes, depende nicae exclusivamente da diferena de temperatura entre as junes e de suascomposies qumicas, no sendo assim interferida pelo gradiente de temperatura e

nem de sua distribuio ao longo dos fios.

Fig. 27 - Lei do Circuito Homogneo.

11.3.2 - Leis dos metais intermediriosNum circuito constitudo por condutores de vrios metais diferentes, a foratermoeletromotriz total ser zero (0) se todo o circuito estiver mesma temperatura.Quando um circuito formado de dois fios de natureza diferente com suas junesem temperaturas diferentes, corta-se um dos fios e introduz-se em terceiro fio deoutra natureza, a f.e.m. criada originalmente no modificada, desde que as duasjunes criadas pelo terceiro fio estejam mesma temperatura.


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Fig. 28 - Lei dos Metais Intermedirios

Onde se conclui que:

Se: T3= T4 E1 = E2

T3 T4 E1 E2

Um exemplo de aplicao prtica desta lei a utilizao de contatos de lato oucobre, para interligao do termopar ao cabo de extenso no cabeote.

11.3.3 - Lei da Temperatura Intermediria

A f.e.m. gerada num termopar de metais homogneos, com suas junes atemperaturas T1 e T2, igual a soma algbrica da f.e.m. do termopar com uma

juno na temperatura T1e a outra numa temperatura qualquer T com a f.e.m. domesmo termopar com suas junes a T e T2. Assim, a f.e.m. gerada dependesomente da diferena entre a junta fria, independente de qualquer temperaturaintermediria f.e.m.

Fig. 29 - Lei da temperatura intermediria


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11.4 - Construo de Termopares

11.4.1 - Termopar Convencional (Nu)

Como se pode ver na figura 30, o tipo mais simples de termopar consiste em unirdois fios de diferentes naturezas por uma de suas extremidades.Este termopar denomina-se termopar nu.

Fig. 30 - Termopar de tio nu A B

Para se construir a juno de medio do termopar, deve-se tomar as seguintes

precaues; remover o xido existente na superfcie do fio, colocar o partermeltrico em contato por aderncia e logo aps, pelo mtodo apropriado,executar a operao de soldagem.

Os mtodos mais utilizados na confeco dos termopares esto apresentados natabela seguinte onde a, b e c indicam a forma de juno de medio.

Tipo deTermopar

Dimetro

Soldagem a gs Soldagem aarco

Soldagem aresistnca

Cobre maior (1) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) no apropr.

Constantan menor(2) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) no apropr.

Ferro maior (1) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) apropr. p/ (b)

Constantan menor(2) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) no apropr. p/ (c)

Cromel maior(1) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) apropr. p/ (b)

Constantan menor(2) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) apropr. p/ (c)

Cromel maior (1) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) apropr. p/ (b)

Alumel menor(2) apropr. p/ (a) apropr. p/ (a) apropr. p/ (c)

PlatinaPlatina-rdio

menor (2) no apropriado apropr. p/ (c) apropr. p/ (c)

Nota: (1) dimetro maior que 1,6 mm

(2) dimetro menor que 1,6 mm

fig 31


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Material daBainha

Temperatura Mx.Recomendada C

Consideraes Gerais

Inx 304 900 Boa resistncia a corroso, podendo ser usada ematmosfera oxidante, redutora, neutra e no vcuo.No recomendvel o uso na presena de enxofre ouchamas redutoras.

Inx 310 1100 Boas propriedades de resistncia a oxidao emaltas temperaturas, utilizvel em atmosferaoxidante, redutora, neutra ou no vcuo. Bom parauso em atmosfera sulfurosa.

Inx 316 900 Maior resistncia a corroso do que o Inx 304, boaresistncia a cidos e lcalis.

Alloy 600 1150 Excelente resistncia a oxidao em altastemperaturas. Seu uso em atmosferas com enxofredeve ser evitado.

Ao cromo 446 1100 Excelente resistncia corroso e oxidao em altatemperatura. Boa resistncia em atmosferassulfurosas.

11.5 - Tipos e Caractersticas dos Termopares Comerciais

Existem vrias combinaes de 2 metais condutores operando como termopares. Ascombinaes de fios devem possuir uma relao razoavelmente linear entretemperatura e f.e.m.; devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudana detemperatura, que seja detectvel pelos equipamentos normais de medio.

Foram desenvolvidas diversas combinaes de pares de Ligas Metlicas, desde osmais corriqueiros de uso industrial, at os mais sofisticados para uso especial ourestrito a laboratrio.

Essas combinaes foram feitas de modo a se obter uma alta potnciatermoeltrica, aliando-se ainda as melhores caractersticas como homogeneidadedos fios e resistncia corroso, na faixa de utilizao, assim cada tipo de termopartem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para quese tenha a maior vida til do mesmo.

Podemos dividir os termopares em dois grupos, a saber: Termopares Bsicos Termopares Nobres

11.5.1 - Termopares Bsicos

So assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios so decusto relativamente baixo e sua aplicao admite um limite de erro maior.


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TIPO T- Nomenclaturas: T - Adotado pela Norma ANSI

Cu - Co

Copper-Constantan

- Liga: ( + ) Cobre - (99,9%)( - ) Constantan - So as ligas de Cu-Ni compreendidos no intervalo

entre Cu50 e Cu65 Ni35. A composio mais utilizada para estetipo de temopar de Cu58 Ni42.

- Identificao da polaridade: o positivo (cobre) avermelhado.

- Caractersticas: Faixa de Utilizao: - 184 a 370C

FEM produzida: -5,333 a 19,027 mV Potncia termoeltrica mdia: 5,14 mV / 100C (para temperaturas positivas)

Pode ser utilizado em atmosferas a vcuo, inertes, oxidantes ou redutoras. Apresenta uma boa preciso na faixa de utilizao, devido grande

homogeneidade do cobre. Em temperaturas acima de 310C o cobre comea a se oxidar e prximo de

400C, oxida-se rapidamente. Com certas precaues e devidamente calibrado, pode ser utilizado at -

2620C.

- Aplicaes:

Criometria (baixas temperaturas). Indstrias de Refrigerao, PesquisasAgronmicas e Ambientais, Qumica e Petroqumica.

TIPO "J- Nomenclatura: J - Adotada pela Norma ANSI

Fe-Colron-Constantan

- Liga:( + ) Ferro - (99,5%)( - ) Constantan - Cu58 Ni42, normalmente se produz o ferro e a

partir de sua caracterstica casa-se o constantan adequado.- Identificao da polaridade: o positivo (ferro) magntico, o negativo no

magntico.

- Caractersticas: Faixa de utilizao: O a 7600C FEM produzida: O a 42,922mV Potncia termoeltrica mdia: 5,65mV/1000C Pode ser utilizado em atmosferas a vcuo, inertes, oxidantes ou redutoras. Baixo custo relativo, sendo assim um dos mais utilizados industrialmente.

Tem baixa homogeneidade, devido dificuldade de obteno do ferro com alto


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TABELA - Tipos e termopares e faixa de temperatura usual - vantagens e restries.Tipo Elemento

Positivo

Elemento

Negativo

Faixa de

temp. usual

Vantagens Restries

T Cobre Constantan - 184 a370C

1) Resiste a atmosfera corrosiva.

2) Aplicvel em atmosfera redutora ou oxidanteabaixo de 310C.

3) Sua estabilidade o torna til em temperaturasabaixo de 0C.

1) Oxidao do cobre acima de310C.

J Ferro Constantan 0 a 760C 1) Baixo Custo.

2) Indicado para servios contnuos at 760Cem atmosfera neutra ou redutora.

1) Limite mximo de utilizao ematmosfera oxidante de 760Cdevido rpida oxidao doferro.

2) Utilizar tubo de proteo acimade 480C.

E Chromel Constantan 0 a 870C 1) Alta potncia termoeltrica.

2) Os elementos so altamente resistentes

corroso, permitindo o uso em atmosferaoxidante.

1) Baixa estabilidade em atmosferaredutora.

K Chromel Alumel 0 a 1260C 1) Indicado para atmosfera oxidante.

2) Para faixa de temperatura mais elevadafornece rigidez mecnica melhor do que ostipos S ou R e vida mais longa do que o tipo J.

1) Vulnervel em atmosferasredutoras, sulfurosas e gasescomo SO2 e H2S, requerendosubstancial proteo quandoutilizado nestas condies.

S

Platina10%Rhodio

Platina

0 a 1480C

1) Indicado para atmosferas oxidantes.

2) Apresenta boa preciso a altas temperaturas.1) Vulnervel contaminao em

atmosferas que no sejamoxidante.

R Platina13%

Rhodio

Platina

2) Para altas temperaturas, utilizarisoladores e tubos de proteo

de alta alumina.B Platina

30%Rhodio

Platina6% Rhodio

870 a1705C

1) Melhor estabilidade do que os tipos S ou R.

2) Melhor resistncia mecnica.

3) Mais adequado para altas temperaturas doque os tipos S ou R.

4) No necessita de compensao de junta dereferncia, se a temperatura de seus terminaisno exceder 50C.

1) Vulnervel a contaminao ematmosferas que no sejamoxidantes.

2) Utilizar isoladores e tubos deproteo de alta alumina.

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