Apostila da Disciplina Sistemas de Medida e instrumentação

Professor: Márcio Valério de Araújo

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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Introdução

• INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.

• Em todos os processos de fabricação é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível.

• No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis, utilizando somente instrumentos.

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Principais sistemas de medidas • Os principais sistemas são:

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Importância da Medição ?

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Principais variáveis medidas

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O Princípio USA

• Esse princípio é usado para melhorar a automação dos processos;

• USA é uma sigla em inglês que significa três coisas:

1. U (understand) entender / conhecer o processo;

2. S (simplify) simplificar o processo;

3. A (automate) automatizar o processo

Exemplo do princípio USA

• Sistema de aquecimento de água

Exemplo do princípio USA Conhecendo o processo

• Processo industrial: É uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material.

• Variáveis de Processo: São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.

• Variável Controlada: É a variável que deve ser controlada para obtermos um objetivo no processo.

• Variável manipulada: É aquela sobre a qual o controlador automático atua no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado.

Variáveis do processo Variável controlada Variável manipulada

Volume da água (V) Temperatura de saída da água (Toa)

Nível da água (L)

Vazão do vapor (Q) Vazão do vapor (Q)

Temperatura do Vapor (Tv)

Temperatura de entrada da água (Tia)

Temperatura de saída da água (Toa)

Vazão de entrada da água (Qia)

Vazão de saída da água (Qoa)

Exemplo do princípio USA

Variáveis do processo Variável controlada Variável manipulada

Volume da água (V) Temperatura de saída da água (Toa)

Volume da água (V)

Nível da água (L) Nível da água (L)

Vazão do vapor (Q) Vazão do vapor (Q)

Temperatura do Vapor (Tv) Temperatura do Vapor (Tv)

Temperatura de entrada da água (Tia) Temperatura de entrada da água (Tia)

Temperatura de saída da água (Toa) Vazão de entrada da água (Qia)

Vazão de entrada da água (Qia)

Vazão de saída da água (Qoa)

Variáveis do processo Variável controlada Variável manipulada

Exemplo do princípio USA Automatizando o problema

Elementos básicos de um sistema de controle automático

• Unidade de medida

• Unidade de controle

• Elemento final de controle

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Malha de controle

• Quando se fala em controle, deve-se necessariamente subentender uma medição de uma variável qualquer do processo, isto é, a informação que o controlador recebe. Recebida essa informação o sistema controlador compara-a com um valor pré-estabelecido (chamado SET POINT), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença.

• Esta sequência de operações, medir a variável; comparar com o valor pré determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point, é denominado de malha de controle, que pode ser aberta ou fechada.

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Malha Aberta

• Na malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para

compensar variações nas variáveis do processo.

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Malha Aberta

• Exemplo

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Malha Fechada

• Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo.

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Malha Fechada

Exemplo:

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Elementos funcionais de um instrumento

• A figura abaixo mostra diversos instrumentos associados formando uma malha de controle.

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Elementos funcionais de um instrumento

• Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser lida na tabela abaixo.

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Exemplos Na maioria dos casos, os sensores e conversores, se encontram juntos em um só elemento chamado transdutor.

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Tipos de Sinais

• Basicamente termos dois tipos de sinais:

1. Analógicos

2. Digitais

Já os sinais digitais podem se subdividir em:

Binários

Digitais (acima de 2 bits)

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Sinais Analógicos

• O sinal analógico é contínuo no tempo e usualmente varia no tempo de forma relativamente suave.

• O sinal analógico carrega a informação todo o intervalo de tempo de observação.

• Exemplo de um termômetro de mercúrio.

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Sinais Binários

• O sinal binário é o mais simples, pois tem somente dois "estados discretos", ligado ou desligado, 0 ou 1.

• Vários instrumentos usados no controle discreto de sistemas têm esta característica.

• Por exemplo, um instrumento chamado "chave de nível" (chave pois "chaveia" entre dois estados discretos e independentes, lógicos, do tipo sim ou não,ligado ou desligado, 0 ou 1) pode ser usado para ligar ou desligar a bomba que alimenta um reservatório de líquido.

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Sinais digitais • O sinal digital é formado por uma série de números

discretos, cada um deles correspondendo a um valor do sinal analógico em um certo instante de tempo.

• A resolução do sinal digital depende do número de bits, e o número de combinações se dá pela seguinte regra: NC = 2n onde n é o número de bits.

• Quanto mais bits maior dever ser a capacidade de processamento e armazenagem da informação

• Exemplo: É mais fácil somar os números 236+425 ou 1258474841012456954 + 25478885473200124?

Qual desses números é mais fácil armazenar?

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As vantagens do sinal digital frente ao analógico

• Facilidade de condicionamento de sinal; • os computadores são digitais e podem então processar os sinais

digitais em pré e pós-processamento, isto é, filtragem, operações matemáticas, etc;

• os sinais digitais podem ser apresentados diretamente em displays numéricos;

• problemas com ruídos são praticamente eliminados, e a transmissão de dados é mais simples;

• sinais digitais podem ser transmitidos em redes computacionais.

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Forma de transmissão de sinais

• Os equipamentos podem ser agrupados conforme a forma ou meio que usa para transmitir as informações ou o seu suprimento.

• Podemos dividir em Pneumáticos, hidráulicos, elétricos, sonoros e eletromagnéticos.

• A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.

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Tipo pneumático

• Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar.

• Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero.

• O gás mais utilizado para transmissão é o ar comprimido, sendo também o NITROGÊNIO.

• A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo).

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Desvantagens do sinal Pneumático

• Necessita de tubulação para seu suprimento e funcionamento.

• Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.

• Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores.

• Tubulação com comprimento máximo de aproximadamente 100 m.

• Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.

• Não permite conexão direta aos computadores.

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Tipo elétrico

• Os transmissores elétricos geram vários tipos de tensão, sendo as mais utilizadas: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V.

• Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque tais instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída.

• O “zero vivo” utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

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Vantagens do sinal elétrico

• Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.

• Alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão.

• Necessita de poucos equipamentos auxiliares.

• Permite fácil conexão aos computadores.

• Fácil instalação.

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Transmissão via Rádio

• Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora

via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.

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Vantagens e desvantagens

• As vantagens são:

– Não necessita de cabos de sinal.

– Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento.

• As desvantagens são:

– Instrumentação de sistemas

– Alto custo inicial.

– Necessidade de técnicos altamente especializados

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Transdutores Ativos e Passivos

• Os transdutores passivos são aqueles cuja energia é suprida inteiramente ou quase inteiramente pelo sinal de entrada

• Transdutores ativos são aqueles que possuem uma fonte auxiliar de potência, que supre a maior parte da energia consumida, enquanto que o sinal de

entrada supre somente uma porção insignificante.

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Métodos da deflexão e anulação

• É uma forma de classificar os instrumentos em dois grupos: cancelamento e deflexão.

• Esta classificação diz respeito ao princípio de operação do instrumento.

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Instrumentos de deflexão

• Em instrumentos de deflexão a quantidade medida produz um efeito físico que é contrabalanceado por um efeito contrário em alguma outra parte do instrumento.

• Este efeito contrário, por sua vez, está intimamente ligado a alguma variável que será diretamente perceptível por um sentidos humano.

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Instrumentos de cancelamento

• Em instrumentos de cancelamento, a deflexão é idealmente mantida nula pela aplicação de um efeito contrário àquele gerado pela quantidade medida.

• A balança de braço articulado (a "balança de feira"), o instrumento da cancelamento mais simples e talvez o mais antigo que existe.

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Terminologia na Metrologia

• Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos.

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Terminologia na Metrologia

• Erro Absoluto - Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro convencional da grandeza medida.

• Erro Aleatório - Componente do erro de medição que varia de uma forma imprevisível quando se efetuam várias medições da mesma grandeza.

• Erro Sistemático - Componente do erro de medição que se mantém constante ou varia de forma previsível quando se efetuam várias medições de uma mesma grandeza. Os erros sistemáticos e suas causas podem ser conhecidos ou desconhecidos.

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Erro sistemático

• Erros instrumentais são aqueles que dependem dos aparelhos de medidas empregados. Todos os aparelhos devem ser submetidos a um controle sistemático periódico, a fim de se determinar as variações possíveis dos erros instrumentais, devido a desregulagem dos aparelhos, do desgaste ou de outras causas.

• Erro subjetivo é aquele devido às particularidades individuais do usuário. Ex: leitura atrasada, interpolação incorreta, paralaxe. Erro de paralaxe é o erro de leitura que ocorre ao se observar a agulha do instrumento em uma direção não perpendicular à superfície do mostrador.

• Erro de instalação é aquele devido à instalação incorreta do instrumento ou de seus ajustes.

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Terminologia na Metrologia

• Valor Verdadeiro (de uma grandeza) - Valor que caracteriza uma grandeza perfeitamente definida nas condições existentes quando ela é considerada. O valor verdadeiro de uma grandeza é um conceito ideal e não pode ser conhecido exatamente.

• Valor Verdadeiro Convencional (de uma grandeza) - Valor de uma grandeza que para um determinado objetivo pode substituir o valor verdadeiro. Um valor verdadeiro convencional é, em geral, considerado como suficientemente próximo do valor verdadeiro para que a diferença seja insignificante para determinado objetivo.

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Terminologia na Metrologia

• Escala - Conjunto ordenado de marcas, associado a qualquer numeração, que faz parte de um dispositivo indicador.

• Valor de uma Divisão - Diferença entre os valores da escala correspondentes a duas marcas sucessivas.

• Calibração (de um instrumento) - Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões. O resultado de uma calibração permite tanto o estabelecimento dos valores do mensurando para as indicações, como a determinação das correções a serem aplicadas.

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Terminologia na Metrologia

• Faixa Nominal - (faixa de medida, RANGE ) Conjunto de valores da grandeza medida que pode ser fornecido por um “instrumento de medir”, consideradas todas as suas faixas nominais de escala. A faixa nominal é expressa em unidades da grandeza a medir, qualquer que seja a unidade marcada sobre a escala e é normalmente especificada por seus limites inferior e superior: como por exemplo 100°C a 200°C.

• Amplitude da Faixa Nominal - (alcance, SPAN) Módulo da diferença entre os dois limites de uma faixa nominal de um “instrumento de medir”. Exemplo: faixa nominal: -10 V a 10 V

amplitude da faixa nominal: 20 V

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Terminologia na Metrologia

• Condições de Referência - Condições de utilização de um instrumento de medir prescritas para ensaios de funcionamento ou para assegurar a validade na comparação de resultados de medição.

• Sensibilidade - Quociente da variação da saída de um instrumento de medir pela variação correspondente da

entrada S = Δ𝑠

Δ𝑒.

– Exemplo: Sensibilidade de um termômetro pode ser de 10 mV/°C

45 Entrada Entrada

Saíd

a

Saíd

a

Sensibilidade constante

Sensibilidade variável

Terminologia na Metrologia

• Resolução – É a menor variação da grandeza medida que causa uma variação perceptível na indicação correspondente. – Exemplo: Um voltímetro tem resolução de 1mV, ou seja, caso ocorra

uma variação de tensão medida menor que 1mV, o instrumento não informará tal variação da entrada.

• Ajuste (de um instrumento) - Operação destinada a fazer com que um instrumento de medir tenha um funcionamento adequada à sua utilização.

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Terminologia na Metrologia • Exatidão - Podemos definir como o grau de concordância

entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando.

• Pode ser expressa de diversas maneiras: Em porcentagem do alcance (span)

Um instrumento com range de 50 à 150 ºC, está indicando 80 ºC e sua exatidão é de ± 0,5 % do span.

Sendo, ± 0,5% = ± 0,005 e o span = 100 ºC, teremos: 0,005. 100 = ± 0,5 ºC

Portanto, a temperatura estará entre 79,5 ºC e 80,5 ºC.

Em unidade da variável

Instrumento com exatidão de ± 2 ºC

Em porcentagem do valor medido

Um instrumento com range de 50 à 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, teremos: 0,005. 80 = ± 0,4 ºC

Portanto, a temperatura estará entre 79,6 ºC e 80,4 ºC. 47

Terminologia na Metrologia

• Zona morta - É a máxima variação que a variável possa ter, sem provocar variações na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 ºC à 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% = ± 0,001, teremos: 0,001. 200 = ± 0,2 ºC

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

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Terminologia na Metrologia

• Tipos de Entrada – Entrada Desejada, iD a entrada (magnitude da

variável de processo) que se quer medir com um dado instrumento, isto é, o "valor verdadeiro ou real" da magnitude da variável;

– Entrada Interferente, iI uma entrada "espúria" à qual o instrumento é ocasionalmente sensível e que altera o valor da magnitude da saída do instrumento, mascarando assim a relação original (saída/entrada).

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Algarismos significativos

50

Régua graduada em centímetros Menor divisão da escala u = 1cm

Algarismos significativos

51

A quantidade de algarismos significativos é dada a partir do 1º número não nulo contado da esquerda para a direita independente de existir ponto ou vírgula.

Regras básicas de arredondamento (NBR-5891)

• REGRA 1 -Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo por conservar é menor que 5, ele permanecerá conservado sem modificações.

– Exemplo: 1,333 1,33 1,3

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Regras básicas de arredondamento (NBR-5891)

• REGRA 2 -Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo por conservar é superior a 5, ele deverá ser aumentado uma unidade.

– Exemplo: 1,666 1,67 1,7

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Regras básicas de arredondamento (NBR-5891)

• REGRA 3 -Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo por conservar é igual a 5, e for seguido de no mínimo um algarismo diferente de zero, o último algarismo por conservar deverá ser aumentado de uma unidade.

– Exemplo: 1,4501 1,5 ?

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Regras básicas de arredondamento (NBR-5891)

• REGRA 4 - Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo por conservar é um 5 seguidos de zeros, por exemplo:

4,550; 2,750; 3,650; 1,25

• É necessário observar dois casos:

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Regras básicas de arredondamento (NBR-5891)

• REGRA 4.1 - Quando o último algarismo por conservar é ímpar, arredonda-se para o algarismo par mais próximo, ou seja, aumenta-se de uma unidade o último algarismo por conservar. Exemplo:

4,550 => arredondada a 1a decimal , será 4,6

3,350 => arredondada a 1a decimal , será 3,4

• REGRA 4.2 - Quando o último algarismo por conservar for par, ele permanecerá conservado sem modificação. Exemplo:

2,850 => arredondada a 1a decimal , será 2,8

1,650 => arredondada a 1a decimal , será 1,6

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SIMBOLOGIA

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Simbologia Norma internacional (ANSI/ISA-5.1)

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Simbologia Norma internacional

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Simbologia Norma internacional

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Simbologia Norma internacional

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EXEMPLOS

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EXEMPLOS

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Faça as devidas correções nos símbolos

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EXEMPLOS

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Simbologia Norma Brasileira ABNT NBR 8190

Cancelada em 02/12/2010

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Exercícios de Simbologia

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Exercício de simbologia • O processo mostrado a seguir consiste no armazenamento de um gás

tóxico em um reservatório, o gás é bombeado do processo de fabricação até o reservatório através de uma máquina de fluxo (2).

• O sensor (1) monitora o tempo todo o valor da pressão dentro do reservatório e envia um sinal pneumático para o controlador de pressão (4), esse mesmo instrumento além de controlar a pressão controla também a vazão de saída do gás.

• O sensor de vazão (5) envia um sinal pneumático para o controlador que por sua vez envia um sinal pneumático para a válvula tipo gaveta acionada por diafragma(6).

• O processo conta ainda com um instrumento que indica o valor da pressão e o valor da vazão de saída do gás (7) e uma válvula de segurança (3).

• O indicador de pressão e vazão (7) recebe o sinal do controlador via ondas eletromagnéticas não guiadas.

• Todos os sensores e atuadores estão montados no campo. • O controlador de vazão e pressão está montado no painel principal e é um

instrumento compartilhado. • Use a norma internacional e refaça o processo apresentado usando os

símbolos padronizados.

68

Exercícios de Simbologia

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Exercícios de Simbologia (2 pontos) • No processo mostrado na figura a seguir, temos um tanque para

armazenar e misturar dois líquidos diferentes (A e B). O nosso objetivo é promover a mistura desses líquidos a uma temperatura constante de 87,45 °C. Deve-se manter o nível do líquido dentro do tanque constante, e para isso utilizamos um sensor de nível tipo bóia que envia um sinal elétrico para o controlador 1 quando o líquido atinge o valor máximo. Com base na informação do nível, o controlador 1 abre ou fecha as válvulas gaveta 2 e 3 com atuadores eletro-hidráulico para manter o nível dentro de uma faixa predefinida. Quando a mistura atinge a temperatura final de 87,45 °C , medida pelo sensor térmico, o controlador 2 envia um sinal elétrico para o controlador 3 que faz parar o misturador, em seguida o controlador 2 abre a válvula 1 acionada por um solenóide e libera o líquido para a etapa seguinte do processo e ao mesmo tempo desliga o sistema de aquecimento elétrico. O motor elétrico possui pás misturadoras e é operado pelo controlador 3 que é responsável por controlar e indicar a rotação do motor.

• Use a norma brasileira e refaça o processo apresentado. Os sensores estão montados em campo, o controlador 1 e 2 estão no painel principal e o controlador 3 está em outro painel.

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Exercícios de Simbologia (2 pontos)

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Capítulo IV

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Medição de Temperatura

• O que é temperatura ?

– De um modo simples, a temperatura é a medida de quanto um corpo está mais quente ou mais frio que outro.

– Quanto mais quente um corpo, maior é a sua temperatura e maior é o seu nível de calor.

– Outra definição simplificada de temperatura se baseia em sua equivalência a uma força acionadora ou potencial que provoca um fluxo de energia em forma de calor.

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Medição de Temperatura

• Unidades de temperatura

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Métodos de Medição de Temperatura

• Podemos dividir os medidores de temperatura em dois grandes grupos

1º grupo (contato direto) −Termômetro à dilatação de líquidos e de sólido −Termômetro à pressão de líquido e de gás −Termômetro à resistência elétrica −Termômetro a par termoelétrico −Termômetro não lineares usando semicondutores 2º grupo (contato indireto) −Pirômetros

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Histórico da medição de temperatura

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Deformação linear, superficial e volumétrica

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TERMÔMETRO À DILATAÇÃO DE LÍQUIDO EM RECIPIENTE DE VIDRO

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Recomendações na instalação: - Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de temperatura, pois poderia trincar o capilar de vidro. -Para evitar erros, devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá estar completamente imerso.

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Entradas Interferentes?

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Entradas Interferentes?

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Termômetro bimetálicos

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Termostato

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Galvanômetro

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Entradas Interferentes?

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Tipos de Termopares

Tipo T

Cobre-Constantan

Liga

(+) Cobre 99,9%

(–) Constantan

A composição mais utilizada para este

tipo de termopar é de Cu 58% e Ni 42%.

Características

Faixa de utilização: –200°C a 370°C

FEM produzida: –5,603mV a 19,027mV

Aplicações

Criometria (baixas temperaturas)

Indústrias de refrigeração 91

Tipos de Termopares

Tipo J Liga (+) Ferro 99,5% (–) Constantan – Cu 58% e Ni 42% Normalmente se produz o ferro a partir de sua característica, casando-se o constantan

adequado. Características Faixa de utilização: –40°C a 760°C FEM produzida: –1,960mV a 42,922mV Aplicações Centrais de energia Metalúrgica Química Petroquímica Indústrias em geral

92

Tipos de Termopares

TIPO E Liga (+) Chromel – Ni 90% e Cr 10% (–) Constantan – Cu 58% e Ni 42% Características Faixa de utilização: –200°C a 870°C FEM produzida: –8,824mV a 66,473mV Aplicações Química Petroquímica

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Tipos de Termopares

Tipo K Liga (+) Chromel – Ni 90% e Cr 10% (–) Alumel – Ni 95,4%, Mn 1,8%, Si 1,6%, Al 1,2% Características Faixa de utilização: –200°C a 1.260°C FEM produzida: –5,891mV a 50,99mV Aplicações Metalúrgicas Siderúrgicas Fundição Usina de cimento e cal Vidros Cerâmica Indústrias em geral

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Tipo S Liga (+) Platina 90%, Rhodio 10% (–) Platina 100% Características Faixa de utilização: 0°C a 1.600°C FEM produzida: 0mV a 16,771mV Aplicações Siderúrgica Fundição Metalúrgica Usina de cimento, Cerâmica e Vidros Pesquisa

95

Tipos de Termopares

Tipos de Termopares

Tipo R Liga (+) Platina 87%, Rhodio 13% (–) Platina 100% Características Faixa de utilização: 0°C a 1.600°C FEM produzida: 0mV a 18,842mV Aplicações As mesmas do tipo S Siderúrgica, Fundição, Metalúrgica, Usina de cimento, Cerâmica, Vidro Pesquisa científica

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Tipos de Termopares

Tipo B Liga (+) Platina 70%, Rhodio 30% (–) Platina 94%, Rhodio 6% Características Faixa de utilização: 600 a 1.700°C FEM produzida: 1,791mV a 12,426mV Aplicações Vidro Siderúrgica Alta temperatura em geral

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Vantagens e Restrições dos Termopares

98

99

100

101

Medição de temperatura por velocidade

• Dado que a velocidade do som em um fluido varia com a temperatura segundo a equação abaixo.

• Geralmente essa técnica é usada para medir temperaturas criogênicas de gases.

Onde v é a velocidade do som no fluido, T é a temperatura do fluido, M é a massa molecular e α e R são constantes

102

M

TRv

Emissor sonoro

Receptor sonoro

103

Medição de viscosidade

• Os tipos básicos de viscosímetros são:

Viscosímetro rotativo;

viscosímetro de esfera em queda ou

viscosímetro de bola;

Viscosímetro por escoamento.

104

Viscosímetro rotativo

• Este viscosímetro consiste em um disco ou cilindro que gira em velocidade constante, movido por um motor elétrico, dentro de um reservatório cilíndrico.

• O reservatório deve ser largo o suficiente para que as paredes não influam no fluxo.

• A superfície do elemento girante é frequentemente trabalhada de maneira a aumentar o atrito.

• O fluido preenche os intervalos lateral e inferior entre o elemento girante e as paredes.

• Quanto maior a viscosidade maior será o torque requerido pelo motor para manter a rotação e quanto maior for o torque maior será a corrente elétrica consumida pelo motor.

105

viscosímetro de esfera em queda • Viscosímetro de Stokes: também chamado

viscosímetro de esfera, uma esfera é imersa em um tubo vertical contendo o fluido e deixada cair livremente sob ação da gravidade. Inicialmente acelerada, ela atingirá depois de algum tempo, devido à resistência do fluido, uma velocidade constante (velocidade terminal).

• A velocidade terminal é atingida quando Fg = Fd

(Fg é o peso e Fd é igual à soma do empuxo e da resistência devida à viscosidade: Fd = Fb + Fv)

• Vt é a velocidade terminal, d é o diâmetro da esfera, ρs é a densidade da esfera, ρ0 é a densidade do fluido, g é a aceleração da gravidade e μ0 é a viscosidade do fluido. 106

Viscosímetro por escoamento • Neste caso, mede-se o tempo que o líquido

leva para escoar de um reservatório por meio de um orifício aberto no fundo.

• Os modelos mais conhecidos são o viscosímetro de copo Ford, o viscosímetro de copo Shell e o viscosímetro de copo Zahn; este último possui vários orifícios de tamanhos diferentes, dos quais apenas um é mantido aberto em cada medição, e é muito usado na indústria de tintas.

• O tempo de escoamento é proporcional à viscosidade cinemática do fluido, e depende tanto do diâmetro do furo quanto da temperatura de ensaio, que deve ser mantida constante durante a medição.

• Instrumentos similares são o funil de Marsh e o cone de Marsh, usados para fluidos muito viscosos, como lama e petróleo. 107

108

Medição de Densidade

109

Entradas Interferentes?

Capítulo V

• Medição de Força

• Medição de Torque

• Pressão

110

Métodos Básicos de Medição de Força

• Contrabalanceando a força gravitacional sobre massas padrões diretamente ou através de sistemas com alavancas.

• Medindo-se a aceleração de um corpo de massa conhecida sobre o qual é aplicado a força.

• Transformando-se a força em pressão em um fluido e então se medindo a pressão.

• Aplicando-se a força em algum membro elástico e então medindo a deflexão ou a deformação.

111

Medição de forças por balanças • Inicialmente cabe diferenciar massa e força: massa é uma

propriedade inercial, a medida de quantidade de matéria de um corpo. Força é uma quantidade vetorial associada à massa, necessária para mudar a quantidade de movimento do corpo.

• O método mais simples de se medir uma força é compará-la com uma força conhecida, gerada por uma massa conhecida.

Balança de pivot central. Balança de massa deslizante. 112

Medição de forças por balanças

113

Medição de força por aceleração

F = m.A

114

Flexão e torção

115

Efeito piezelétrico

116

Medição de força por aceleração

117

𝑽 =𝑲𝑭𝒅

𝑨

Onde V é a tensão produzida pelo cristal, K é a constante piezelétrica, d é a espessura do cristal, A é a área do cristal e F é a força aplicada sobre o cristal.

Medição de força por pressão

• Tem capacidade de medir alta intensidade de força.

• Este tipo de sensor pode usar um gás ou um líquido.

• Um tipo especial de medição por pressão é a célula de carbono, neste caso a compressão do carbono altera sua condutividade elétrica e então altera a tensão e a medida no circuito elétrico

célula de carbono 118

Aplicação de medição de força por pressão

• Grandes cargas,

• Medição lenta;

• Geralmente usa líquido;

• Células de carga hidráulica para medida de peso de caminhões.

119

Medição de força por deflexão ou deformação

• Neste método, usa-se a elasticidade dos materiais e o uso de molas.

120

Medição de força através da frequência de vibração

121

Ff

1 22fF

Esta relação permite associa a freqüência f com a força de tração F, a densidade linear µ do fio e o comprimento de onda λ

Entradas Interferentes?

Medição de força por extensômetros • Os extensômetros são atualmente os dispositivos de medição de

força mais utilizados.

• O extensômetro é uma pequena superfície metálica que é colada no corpo do material que se deformará. A deformação do extensômetro é medida por variação da sua resistência elétrica.

• Mas como medir com extensômetros? Inicialmente deve-se selecionar o extensômetro dentre os ofertados por fabricantes.

• A variável básica é o denominado fator do extensômetro, K, fornecido nos catálogos dos fabricantes. O fator do extensômetro é a razão entre a variação relativa da resistência e a deformação axial,

122

Medição de força por extensômetros

• A figura abaixo mostra um modelo de célula de carga com extensômetro, usado tanto para compressão quanto para tração.

123

Medição com extensômetros

• Como diminuir ou eliminar a influencia da temperatura na medição com extensômetros?

• Temos 4 Formas, das quais somente uma delas elimina totalmente a influencia da temperatura.

124

Entradas Interferentes?

Medição de torque

• Torquímetro, também conhecido por chave dinamométrica, é usado para medir o torque em parafusos, eixos e peças.

• O torque é definido a partir da componente perpendicular ao eixo de rotação da força aplicada sobre um objeto que é efetivamente utilizada para fazer ele girar em torno de um eixo ou ponto central, conhecido como ponto de rotação. A distância do ponto pivô ao ponto onde atua uma força ‘F’ é chamada braço do momento e é denotada por ‘r’.

• O torque é definido pela relação:

125

Aplicação de extensômetros

126

Torquímentro de flexão (torquímetro de vareta)

• Elemento sensor baseado na flexão da haste.

• Para torques à direita e à esquerda.

• Escala dupla (N.m e Kgf.m).

127

Torquímetro com extensômetro

• Torquímetro com extensômetros:

128

Torquímentro de torção

• Medidor de torque por torção:

129

Torquímentro com mola

• Medição de torque em motores.

130

Medição de pressão

Conceitos básicos

Sensores de Pressão

Assessórios

Pressostato

Calibração de manômetros

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio.

Entradas Interferentes?

141

142

Barômetro

143

144

145

146

Entradas Interferentes?

147

148

Os materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são recomendados pelo fabricante.

149

150

Fole com potenciômetro

151

152

Diafragma com extensômetro

153

154

155

156

Efeito Capacitivo e indultivo

157

158

159

160

161

162

163

164

165

Pressostato

166

167

Capítulo VI

•Medição de Nível

•Medição de Vazão

168

Medição de Nível

• Nível é a altura do conteúdo de um reservatório

• Através de sua medição é possível:

Avaliar o volume estocado

Fazer o balanceamento de materiais em processos

Aumentar a segurança e controle de alguns processos.

• Os 3 tipos básicos de medição de nível são:

Direto

Indireto

Descontínuo 169

Medição de Nível Direta

• É a medição para a qual tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador

RÉGUA OU GABARITO: • Consiste em uma régua graduada

que tem um comprimento conveniente para ser introduzida no reservatório a ser medido.

• A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido.

170

Medição de Nível Direta VISORES DE NÍVEL:

• Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta. Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.

• Nessa medição pode-se usar vidro reflex, para produtos escuros sem interfaces, ou vidro transparente, para produtos claros e sua interface.

171

Entradas Interferentes?

Medição de Nível Direta

BÓIA OU FLUTUADOR:

• Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos.

172

Medição de Nível Indireta

Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como:

• Pressão hidrostática;

• Empuxo;

• Radiação;

• Propriedades elétricas;

• Etc. 173

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA

• Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra a seguir o Teorema de Stevin:

• Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja pressurizado.

174

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA

• Neste tipo de medição, utilizamos um transmissor de pressão diferencial cuja cápsula sensora é dividida em duas câmaras: a de alta (H) e a de baixa pressão (L).

• Este transmissor de nível mede a pressão diferencial, subtraindo-se a pressão da câmara alta (H) da câmara baixa (L).

175

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO DIFERENCIAL EM TANQUES PRESSURIZADOS

• Para medição em tanques pressurizados, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível.

• A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório.

176

MEDIÇÃO DE NÍVEL COM BORBULHADOR

• Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos a distância.

• Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido.

• Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades.

177

Empuxo

178

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO

• Baseando-se no princípio de Arquimedes, usa-se um deslocador que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque.

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

179

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR CAPACITÂNCIA

• A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre duas superfícies condutoras isoladas entre si.

• A capacidade do conjunto depende do nível do líquido.

• À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente devido ao dielétrico ar ser substituído pelo dielétrico líquido.

180

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR ULTRA-SOM

• O ultra-som consiste em uma onda sonora cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, ou seja, acima de 20 Khz.

• A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).

• A velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos.

181

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR RADAR

• O radar possui uma antena cônica que emite pulsos eletromagnéticos de alta freqüência à superfície a ser detectada.

• A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.

• Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral.

• A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassônico é a imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detector.

182

Medição por Laser

• Semelhante a medição por ultra som e por radar.

• Pode ser usado fora do tanque, caso haja uma janela de vidro.

183

Medição de nível por radiação

• Os sistemas radiamáticos são utilizados para medição de nível de líquidos, polpas ou sólidos granulados em aplicações onde nenhuma outra tecnologia disponível pode ser aplicada.

• Esses sistemas consistem de uma fonte de emissão de raio gama (δ), um detector tipo câmara de ionização ou cintilação e uma unidade eletrônica conversora e transmissora de sinal.

184

CONVERSOR

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PESAGEM

• A medição de nível por pesagem consiste basicamente na instalação de células de cargas nas bases de sustentação do silo cujo nível se deseja medir.

• Célula de carga é um sensor constituído por fitas extensiométricas (STRAIN-GAUGES) fixados adequadamente em um bloco de aço especial com dimensões calculadas para apresentar uma deformação elástica e linear quando submetido a uma força. Essa deformação é detectada pelas fitas extensiométricas através da variação de sua resistência elétrica.

185

MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PESAGEM

• As células de carga podem ser instaladas sob os pontos de apoio da estrutura do silo, de tal forma que o seu peso é nelas aplicado.

• Para silos pequenos podem ser usadas células de carga que são deformadas por tração, sendo neste caso o silo suspenso por uma única célula, eliminando-se o problema de distribuição de carga.

186

Entradas Interferentes?

Medição de Nível por Onda Guiada • Tal princípio baseia-se na premissa de que ondas

eletromagnéticas, guiadas em um determinado meio, sofrem reflexão ao encontrarem outro meio com diferente constante dielétrica, devido à mudança de impedância ocorrida.

• Elementos como poeira, obstáculos internos ao tanque (chaves de nível, filtros, etc.), bolhas na superfície, entre outros, são na maioria das vezes ignorados pelo equipamento, já que as ondas são guiadas por sondas, sem perda de potência.

• Através de um gerador de radiofrequência localizado no interior do equipamento, pulsos eletromagnéticos são emitidos através de uma sonda em contato com o processo cujo nível deseja-se medir.

• As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétrica diferente, retornam pela sonda graças à mudança da impedância desse meio.

187

Medição de nível por onda guiada

Características:

• Tecnologia de medição de nível baseada no princípio TDR (Time Domain Reflectometry)

• Independe de variações de densidade e/ou temperatura • Medições não afetadas por viscosidade, gravidade,

gases no interior dos reservatórios e turbulência no processo

• Fácil instalação e manutenção • Exatidão de ±7 mm

188

Sensor de nível reflexivo

189

Fibra óptica

Medição de nível descontínua

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

190

MEDIÇÃO DE VAZÃO • A vazão é considerada uma das principais variáveis em um

processo contínuo, pois é através de sua medição que determina-se o controle e balanço de materiais.

• A medição da vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo.

• Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0 °C, 20 °C, ou a outra temperatura qualquer.

191

Conversão de Unidades de Vazão Volumétrica

192

MEDIÇÃO DE VAZÃO

•Existem vários métodos para medição de vazão e a cada dia novas tecnologias surgem no mercado.

•Entre os métodos mais usados atualmente destacamos:

– Medição por deslocamento positivo

– Medição por pressão diferencial

– Medição por força de arrasto

– Medição por área variável

– Medição por turbinas

– Medição por tensão induzida

– Medidores Mássicos

– Medição Térmica

– Medição em canais abertos

– Medição Através de vórtices

– Medição por efeito coriolis

– Medição por efeito doppler

– Medição por annubar

– Medição por cone V

– Medição por aerofólios

193

Medição por

deslocamento positivo

• São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição, aciona o mecanismo de indicação.

• Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros.

194

Bo

mb

as r

ota

tiva

s Um rotor

Mais de um rotor

Palhetas

Pistão

Parafuso

Engrenagem

Lóbulos

Parafusos

Equação de Bernoulli

195

Medição por

pressão diferencial

• A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários, colocados nas tubulações de forma tal que o fluido passe através deles.

• A sua função é aumentar a velocidade do fluído diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então, ser medida a partir desta queda.

196

Placa de Orifício

• Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comumente empregado é o da placa de orifício.

• Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.

197

Placa de Orifício

• Tipos de orifício e suas aplicações:

198

Tubo venturi

• o tubo venturi combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas.

• É usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática.

• Seu uso é recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão.

199

Tubo pitot

• O Tubo Pitot mede a diferença entre a pressão estática e a pressão total dada pela soma da pressão estática e aquela devida a velocidade do fluido.

• Um tubo Pitot possui duas 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, fornecendo o ponto de impacto é a tomada de alta.

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

• É um dispositivo que mede a vazão através da velocidade detectada na tubulação.

200

h = v2 /2g

Medição de vazão por força de arrasto

201

2

2vACF d

d

Onde: Fd é a força de arrasto, Cd é o coeficiente de arrasto, A é a área da secção do elemento, ρ é a massa específica do fluido e v é a velocidade do fluido

AC

Fv

d

d2

Medição de vazão por área variável

• Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo

cônico, proporcionalmente à vazão do fluido.

202

Medição de vazão por área variável

203

fd

pd

AC

FFv

2

y

fd

pd

y AAC

FFAvQ

2

Medição de vazão por área variável

• Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve; porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador.

• A área de passagem oferece resistência à vazão, e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, então ele sobe e flutua na corrente.

• O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial através do flutuador, somada ao efeito do empuxo, contrabalançar o seu peso.

204

205

Medição de vazão por área variável

Tipos de Flutuadores

Medição de vazão por turbina

• O Medidor Tipo Turbina é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação .

• O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo .

• Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido .

206

Medição por tensão induzida

• O medidor magnético de vazão é seguramente um dos mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão

• O medidor eletromagnético de vazão é baseado na Lei de Faraday. Segundo esta lei, quando um objeto condutor se move em um campo magnético, uma força eletromotriz é gerada.

207

208

Medição por tensão induzida

Medidores de vazão mássica por pesagem

• São utilizados para a medição de sólidos, como as balanças industriais.

• A Figura abaixo apresenta um exemplo de medição de quantidade por peso em correia transportadora.

209

Medidor de vazão térmico por

diferença de temperatura

• Um sensor de temperatura mede o valor na montante do tubo.

• Uma resistência elétrica aquece o fluido a uma taxa constante.

• Outro sensor mede o valor da temperatura na jusante.

• A variação da temperatura T2-T1 é proporcional a vazão.

210

Medidor de vazão térmico por variação de corrente

• Nesse caso a diferença de temperatura entre os dois sensores é mantida constante.

• O que muda é a variação da corrente elétrica necessária para produzir calor.

• Quanto maior for a corrente elétrica medida maior é a velocidade do fluido.

211

Medição em canais abertos

• Os dois principais tipos são: o vertedor e a calha de Parshall. – O vertedor mede a altura estática do fluxo em reservatório que verte o

fluído de uma abertura de forma variável. – O medidor tipo calha Parshall é um tipo de venturi aberto que mede a

altura estática do fluxo. É mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluidos com sólidos em suspensão.

212

FIM 213