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9. Métodos de Medição de Variáveis de Processo

Sistemas de Medição de Pressão Transmissores de Pressão Basicamente, os instrumentos transmissores de pressão podem ser classificados em pneumáticos ou eletrônicos. Os dois tipos de transmissores baseiam seu funcionamento no movimento/deformação que os elementos mecânicos elásticos (deformação de sólidos) sofrem quando submetidos a uma pressão/esforço. Esse movimento/deformação, que é proporcional à pressão aplicada (lei de Hooke) é convertido, através de um transdutor, em um sinal pneumático ou eletrônico padronizado, que é enviado/transmitido para indicação e/ou controle à distância. Transmissores Pneumáticos de Pressão Os transmissores e os demais instrumentos pneumáticos utilizam como transdutores o sistema bocal-obturador ou bico-palheta. No caso dos transmissores pneumáticos de pressão, o sistema bocal-obturador converte o movimento/deformação do elemento mecânico elástico em um sinal pneumático. O sistema bocal-obturador é composto por um tubo pneumático alimentado por uma pressão constante Ps, uma redução R' na entrada do suprimento de ar, uma redução Rv em forma de bocal na saída do ar e uma lâmina (obturador ou palheta), que pode obstruir o bocal ou bico e cuja posição depende da pressão exercida pelo processo sobre o elemento mecânico elástico de medição. A restrição R' tem um diâmetro aproximadamente quatro vezes menor que o da restrição Rv. O ar de alimentação, com pressão Ps padronizada em 1,4 kgf/cm2, passa pela restrição R' e enche o reservatório V escapando, a seguir, para a atmosfera através do bocal Rv. A quantidade de ar que sai pelo bocal Rv depende da posição do obturador, ou seja, depende da distância "x" existente entre o bocal e o obturador. Devido ao escape de ar, o volume V e o bocal ficam a uma pressão Pl, intermediária entre Ps e a pressão atmosférica.

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Figura 1 - Transdutor tipo bocal-obturador (bico-palheta).

Transmissores Pneumáticos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças O transmissor pneumático usualmente utilizado em aplicações industriais para medição de pressão é o transmissor tipo equilíbrio de forças, com elemento primário mecânico elástico e transdutor tipo bocal-obturador, ou bico-palheta (figura 2).

Figura 2 - Transmissor pneumático de pressão tipo equilíbrio de forças

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Neste tipo de instrumento a pressão do processo movimenta/deforma o elemento metálico elástico de medição (diafragma). Esse movimento/deformação é transmitido à barra de força ou alavanca transmissora por intermédio da lâmina de articulação. A alavanca transmissora, ou barra de força, é acoplada ao diafragma de selagem, que também funciona como seu ponto de apoio. Através do conjunto de lâminas flexionadoras essa alavanca se une a uma outra alavanca denominada alavanca de faixa, cujo ponto de apoio é o ajuste de faixa. A alavanca de faixa é solidária ao obturador, ou palheta. Assim, qualquer movimento transmitido à barra de força ou alavanca transmissora é sentido pelo instrumento através da variação do distanciamento entre bocal-obturador (bico-palheta) que, por sua vez, varia a pressão no relé amplificador pneumático que, em consequência, varia as pressões de saída do instrumento e do seu foIe de realimentação. Qualquer variação ocorrida no sistema só cessará quando for encontrado o equilíbrio entre as resultantes das forças que atuam no fole de realimentação e na cápsula sensora de pressão (diafragma). Assim que estiver estabelecido este equilíbrio estará determinado o valor do sinal de saída do transmissor (faixa de 0,2 a 1,0 kgf/cm2), assegurando-se, dessa forma, proporcionalidade entre o sinal de saída e a pressão do processo medida pelo transmissor naquele momento. O sinal de saída do instrumento é transmitido para um receptor pneumático de faixa compatível, seja para fins de indicação, de registro ou de controle. Transmissores Eletrônicos de Pressão Os transmissores eletrônicos de pressão utilizam um elemento primário mecânico elástico combinado com um transdutor elétrico, que gera um sinal elétrico padronizado correspondente à pressão medida. O elemento primário mecânico elástico, que pode ser diafragma, tubo Bourdon, espiral, helicoidal, fole ou uma combinação desses elementos, é conectado ao processo e se movimenta/deforma/desloca em função da pressão do processo aplicada sobre ele. Esse movimento é enviado ao transdutor elétrico do transmissor através de um sistema adequado, que o converte em um sinal eletrônico padronizado de saída (4 a 20 mAcc). Em função de seu princípio de funcionamento os transmissores eletrônicos de pressão podem ser classificados nos seguintes tipos: • equilíbrio de forças; • resistivos; • magnéticos; • capacitivos;

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• extensométricos; • piezoelétricos. São mais usualmente utilizados em aplicações industriais de medição de pressão os tipos equilíbrio de forças, extensométricos e capacitivos. Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Equilíbrio de Forças Este tipo de instrumento funciona de maneira análoga ao transmissor pneumático. Neste caso, a pressão do processo aplicada no elemento metálico elástico (fole) movimenta/deforma-o; esse movimento é transmitido à barra de força ou alavanca transmissora por intermédio da lâmina de articulação. A barra de força, ou alavanca transmissora, é aclopada ao diafragma de selagem, que também funciona como seu ponto de apoio (pivô). Essa força é transmitida ao disco de rearme através da alavanca de deflexão, aproximando o disco de rearme do detector. Essa aproximação gera um aumento da indutância, com um conseqüente aumento no consumo de corrente e um aumento no sinal de saída do detector. Paralelamente à aproximação do disco de rearme acontece o afastamento da bobina de realimentação do ímã permanente; ao mesmo tempo, o sinal de saída do detector é amplificado e retificado na unidade amplificadora, resultando no sinal de saída do transmissor (4 a 20 mAcc). Este sinal também é aplicado na bobina de realimentação, aumentando a força para equilíbrio do sistema. Essa força age sobre o braço de rearme em sentido contrário à variação do sinal anterior, afastando o disco de rearme do detector; desse modo, o sistema atinge um novo equilíbrio, com o sinal de saída do transmissor ficando proporcional ao valor da pressão medida naquele momento. O sinal de saída do instrumento é transmitido para um receptor eletrônico de faixa compatível seja para fins de indicação, de registro ou de controle.

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Figura 3 - Transmissor eletrônico de pressão tipo equilíbrio de forças

Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Extensométrico (Strain Gauge) Este tipo de instrumento tem o funcionamento de seu transdutor baseado na variação de comprimento e diâmetro e, portanto, na variação da resistência, que ocorre quando um fio de resistência sofre uma deformação elástica proveniente de uma tensão mecânica gerada por uma pressão. Neste tipo de instrumento a pressão do processo atua no elemento mecânico elástico (diafragma) que se movimenta/deforma e, em conseqüência, movimenta a alavanca onde estão instalados os sensores strain gauge, esticando-os ou comprimindo-os de acordo com a pressão do processo e a disposição que o fabricante tenha adotado para sua instalação. Os sensores strain gauge podem ser colados diretamente na superfície do elemento elástico cuja deformação deve ser medida ou instalados entre um quadro fixo e uma armadura, que se moverá em função das variações de pressão e atuará deformando os sensores. O strain gage colado, além de apresentar grande estabilidade, é mais preciso e tem boa repetibilidade. Por isso, esta é a forma mais utilizada industrialmente.

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Sensor Strain-Gauge Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.

Figura 4 – Sensor Strain-Gauge

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

A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional à área da seção transversal .

R = ρ . L S

R : Resistência do condutor

ρ : Resistividade do material

L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal

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A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial, como mostrado a seguir: Seguindo esta linha de raciocínio, concluímos que para um comprimento L obtivemos ∆L, então, para um comprimento 10 x L teríamos 10 x ∆L, ou seja, quanto maior o comprimento do fio maior será a variação da resistência obtida e maior a sensibilidade do sensor para uma mesma pressão ( força ) aplicada. O sensor consiste em um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Essa montagem denomina-se tira extensiométrica onde se observa que o fio, apesar de solidamente ligado à lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra será o ponto de aplicação de força. Através da física tradicional sabemos que quando um material sofre uma flexão suas fibras internas serão submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão. As fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração pois pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento (menor raio de curvatura).

Como o fio solidário à lâmina também sofrerá o alongamento, ele acompanha a superfície externa, variando a resistência total. Visando aumentar a sensibilidade do

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sensor usaremos um circuito sensível à variação de resistência e uma configuração como mostra a ilustração abaixo. Notamos que a ligação ideal para um Strain-Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone, que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco. Os strain gauge (extensômetros) fazem parte de uma ponte de Wheatstone, na qual se aplica uma tensão de forma que a pequena corrente que circula pelas resistências ocasione uma queda de tensão e a ponte se equilibre para estas condições. Neste sistema, qualquer variação na pressão do processo moverá o diafragma metálico que, por sua vez, variará a posição da alavanca e, em conseqüência, variará a resistência dos sensores strain gauge, desequilibrando a ponte e fazendo variar o sinal de saída do instrumento (4 a 20 mAcc) . (figura 6)

Figura 5 – Célula de Carga

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Figura 6 - Transmissor eletrônico de pressão tipo extensométrico (strain gauge).

Na ponte com dois braços ativos o elemento sensor que funciona como medidor fica montado na parte deformada do dispositivo, enquanto o elemento utilizado para comparação fica montado na parte não deformada. Com este arranjo obtém-se a compensação da expansão térmica dos suportes e da modificação da resistência dos elementos em conseqüência da alteração de temperatura. Na ponte com quatro braços ativos dois elementos sensores são montados de modo a serem tensionados pelo aumento de pressão. Os outros dois são montados em compressão, ou sem qualquer tensão. Esta configuração aumenta a sensibilidade do transdutor e mantém a característica de compensação de temperatura. Além do sistema baseado no sensor extensométrico do tipo fio resistivo, foi desenvolvido mais recentemente um outro sistema que utiliza semicondutores no elemento ativo do sensor extensométrico. Neste caso, a fabricação da cápsula sensora é similar a um circuito integrado por difusão de boro num substrato de silício. Esta tecnologia permite uma mecanização na fabricação de sensores dos transmissores de pressão do tipo extensométrico e sua produção em série, dando-lhes maior precisão e aumentando sua confiabilidade.

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Transmissores Eletrônicos de Pressão Tipo Capacitivo Este tipo de instrumento tem seu funcionamento baseado na variação de capacitância que se introduz em um capacitor quando se desloca uma de suas placas em conseqüência da aplicação de pressão (figura 7). Neste instrumento, a pressão de processo é transmitida através do movimento/ deslocamento do elemento mecânico elástico (diafragma isolador), cujo interior é cheio de óleo ou silicone, para o diafragma sensor localizado no centro da célula. A pressão atmosférica de referência é transmitida da mesma maneira pelo segundo diafragma isolador para o outro lado do diafragma sensor. O deslocamento do diafragma sensor (o movimento máximo é da ordem de 0,004 polegada) é proporcional ao diferencial de pressão aplicado sobre ele o qual, por sua vez, variará em função da pressão aplicada nos diafragmas isoladores.

Figura 7 - Transmissor eletrônico de pressão tipo capacitivo.

A posição do diafragma sensor (placa móvel) é detectada pelas placas do capacitor colocadas nos dois lados do diafragma sensor. O valor da capacitância diferencial existente entre o diafragma sensor e as placas do capacitor (aproximadamente 150 pf) é convertido eletronicamente, resultando no sinal de saída do transmissor (4 a 20 mAcc), que é transmitido para um receptor eletrônico para fins de indicação, registro e/ou controle.

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Sensor Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força / deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor (figura 8) resume-se na deformação de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total, que é medida por um circuito eletrônico. Essa montagem, se por um lado elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva a rudes condições, principalmente à temperatura do processo. Esse inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados juntos ao sensor . Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras devido à deformação não linear, sendo necessária, portanto, uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico.

Figura 8 – Sensor Capacitivo

O sensor é formado pelos seguintes componentes :

• Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido • Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube) • Armadura móvel (diafragma sensor) Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta (High) e de baixa (Low) produz uma força no diafragma isolador, que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e pela

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armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva. Sensor por Silício Ressonante

O sensor (figura 9) consiste em uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma. Utiliza o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade a fim de que essa freqüência seja proporcional à pressão aplicada.

Figura 9 – Sensor de Silício Ressonante

Construção do sensor

Todo o conjunto pode ser visto através da figura 10; porém, para melhor compreensão

de funcionamento deste transmissor de pressão faz-se necessário desmembrá-lo em

algumas partes vitais.

Figura 10 – conjunto Transmissor/Sensor

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Na figura 11 podemos ver o conjunto do sensor, o qual possui um ímã permanente e o sensor de silício propriamente dito.

Figura 11 – Sensor de Silício Ressonante

Dois fatores que influenciarão a ressonância do sensor de silício são o campo magnético – gerado por um ímã permanente posicionado sobre o sensor – e o campo elétrico – gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente) (figura 12).

Figura 12 – Estrutura do Sensor

Este enfoque pode ser observado na figura 13.

Figura 13 – Influência do Campo Magnético e do Campo Elétrico

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Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela

vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado no centro do diafragma (FC),

enquanto o outro terá sua disposição física mais à borda do mesmo (FR).

Figura 14 – Variação de Freqüência com a Pressão

Por estarem localizadas em locais diferentes porém no mesmo encapsulamento, uma

sofrerá uma compressão e a outra sofrerá uma tração, conforme a aplicação de pressão

sentida pelo diafragma. Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de

freqüência entre si. Essa diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico e será

proporcional ao ∆P aplicado.

Através dessas informações é possível relacionar graficamente os pontos de operação

da freqüência x pressão.

Sensor Piezoelétrico

Os elementos piezoelétricos são os cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato, que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão. São capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências (milhões de ciclos por segundo). O efeito piezoelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato, por isso é utilizado em relógios de precisão.

A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o

quartzo é um elemento transmissor ativo. É conectada à entrada de um amplificador,

sendo indicada ou convertida em um sinal de saída para tratamento posterior.

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Sistema de Medição de Nível Introdução A medição de nível, embora tenha conceituação simples requer, por vezes, artifícios e técnicas apuradas. O nível é uma variável importante na indústria, não somente para a operação do próprio processo mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Os sistemas de medição de nível variam, em complexidade, desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Na indústria se requerem medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido.

Medidor de Nível Tipo Pressão Diferencial

Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir. Os instrumentos funcionando, segundo este princípio são, em geral, transmissores, pelo que daremos aqui atenção.

O princípio mais comum de funcionamento dos transmissores de pressão diferencial do

tipo diafragma é o princípio de equilíbrio de forças. As pressões que definem um dado

diferencial são aplicadas, através das conexões de entrada do instrumento, a duas

câmaras situadas em lados opostos, estanques entre si e separadas por um elemento

sensível (diafragma). Estas pressões, atuando sobre o elemento com uma superfície

determinada, produzem forças de mesma direção e sentidos opostos, fazendo originar

uma força resultante. Esta força resultante, no caso de transmissor tipo célula capacitiva,

provoca uma variação na relação das capacitâncias C1 e C2 (vide Fig. 34). Esta

variação, proporcional à pressão diferencial, é convertida e amplificada, proporcionando

um sinal de saída em corrente na saída do transmissor (normalmente de 4 - 20 mA).

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Fig. 34 - Esquema dos capacitores na célula capacitiva

A - Para tanque aberto O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque; o de baixa pressão é aberto para a atmosfera.

Visto que a pressão estática do líquido é diretamente proporcional ao seu peso, este

pode ser obtido pela medida do primeiro.

Neste caso pode-se usar o medidor de pressão, em vez do transmissor de pressão diferencial. O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posição que corresponde o nível baixo de medição. Não sendo possível esse procedimento ele pode ser montado como mostra a figura 35 (c). Neste caso a supressão é necessário desde que a pressão adicional já esteja na parte baixa do nível do líquido.

(a) (b) Nível do líquido e pressão diferencial

(c) (d) Nível do líquido e pressão diferencial

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Fig. 35 - Medidor de Nível tipo Pressão Diferencial (tanque aberto)

B - Para Tanque Fechado

No tanque fechado, se a pressão dentro dele é diferente da pressão atmosférica os

lados de alta e baixa pressão são conectados individualmente, por tubos, na parte baixa

e alta do mesmo para obter pressão diferencial proporcional ao nível líquido (Fig. 36).

Fig. 36 - Medição de Nível com Transmissor de Pressão Diferencial (Tanque Fechado)

C - Para tanque fechado com vapor Quando se necessita medir nível em tanque fechado contendo vapor faz-se necessário preencher a tomada de alta pressão com um líquido (normalmente água) para evitar que se forme uma coluna de condensado que se acumularia e provocaria medição falsa. Neste caso, deve-se fazer a correção do efeito desta coluna (ver fig. 37).

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Fig. 37 – Tanque Fechado com Vapor

Características Físico Nominais

Algumas características mais comuns dos transmissores do tipo pressão diferencial estão listadas a seguir: Faixa: 250/1250 mm H2O até 5000/25000 mm H2O Sinal de saída: 4 ~ 20 mA Alimentação: 24 Vcc (eletr.) Pressão de Projeto: Max 400 kgf/cm2 Limites de Temperatura (ambiente e processo): - 40º a + 120ºC Precisão: apresenta valores de ordem de ± 0,1% da faixa (span), incluindo efeitos conjuntos de linearidade, histerese e repetibilidade. Conexão do processo: ¼” NPT ou ½” NPT.

Materiais

Apesar de existir o recurso da utilização de sistemas de selagem para proteger seus

internos contra fluidos corrosivos, o transmissor pode apresentar uma série de

combinações de materiais para as partes que têm contato com o fluido: aço inoxidável

316 e 316L, hastelloy C, monel, tântalo, duranickel. Também pode ser fornecida

preparação especial dos internos para operações com oxigênio e hidrogênio.

Os corpos (câmara de pressão) são, geralmente, de aço inoxidável forjado ou de aço carbono forjado (niquelado ou cadmiado). O invólucro da eletrônica normalmente é de liga de alumínio de alto impacto. Fórmulas de cálculo da altura do líquido a) Para tanque aberto (fig. 38) ∆P = ρ . h2 . g

Onde:

∆P = P1 - P0

g . P h2

ρ∆

=

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P0 = pressão atmosférica

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Fig. 38 - Nível em tanque aberto utilizando transmissor de flange

b) Para tanque fechado (Fig. 39) ∆P = ρ h1g - ρ h2g ρ . g . (h1 - h2) = ∆P

Fig. 39 - Nível de Tanque fechado com condensador

g . P - h h 12

ρ∆

=

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Instalação Na maioria dos casos é instalado no campo um suporte para tubulação (vertical ou horizontal).

Seu posicionamento na linha de processos depende quase que exclusivamente da

variável a ser medida. Existem instalações típicas para medições de vazão de líquidos,

gases e vapor. Para medições de nível devem ser consideradas as colunas de pressão

atuantes no transmissor no momento do seu ajuste e calibração (fig. 40).

Fig. 40 - Tipos de Instalação

Cálculos para calibração

Onde: 1 - Nível máximo 2 - Nível mínimo δ1 - Peso específico de líquido δ2 - Peso específico do líquido de selagem a) Tanque aberto Span: (x + y + z) . δ1 Elevação de zero : Y . δ1 + Z . δ2 b) Tanque fechado Span: (x + y + z) . δ1 Elevação de zero: Y . δ1 + Z . δ2

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c) Com selagem líquido Span: (x + y) . δ1 Supressão de zero: d . δ2 - Y . δ1

Medidor de Nível tipo Borbulhador

Neste tipo de medição um tubo é inserido no líquido contido em um vaso. Uma das pontas devidamente preparada é submersa no líquido cujo nível se deseja medir; através da ponta superior é fornecido ar ou gás inerte, permanentemente. O princípio no qual se baseia este tipo de medição diz que será necessária uma pressão de ar igual à coluna líquida existente no vaso para que o ar vença este obstáculo e consiga escapar pela extremidade inferior do tubo. Na medição é necessário que se possa saber se a pressão exercida pela coluna de líquido está sendo vencida ou não; isso se torna possível com o escape das bolhas de ar pela ponta imersa no tubo, o que representa um pequeno valor adicional na pressão de ar, desprezível desde que o borbulhamento não seja intenso. A medida se faz através de um instrumento receptor que pode ser um manômetro ou

qualquer outro instrumento transmissor de pressão. A figura 41 mostra um esquema

deste tipo de medidor.

Fig. 41 - Medidor de nível tipo borbulhador

Quando o nível do líquido sobe ou desce a pressão interna do tubo aumenta ou diminui, acompanhando o nível; esta variação de pressão é sentida pelo instrumento receptor. Uma coluna de líquido maior requer maior pressão de ar para que haja expulsão de bolhas de ar; colunas menores requerem pressões menores.

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Para se obter um bom índice de precisão é necessário que o fluxo de ar ou gás seja mantido constante em qualquer situação. Há diversos modos de se obter essa condição, tais como a utilização de orifícios de restrição, de válvulas-agulha, de rotâmetros com reguladores de pressão diferencial e de borbulhadores reguláveis, entre outros. As válvulas-agulha e os orifícios de restrição são utilizados por constituírem limitadores de vazão. Podem ser regulados, no caso das válvulas-agulha, até se obter o borbulhamento ideal e calculado, no caso de orifícios de restrição. Já o rotâmetro com reguladores de pressão diferencial apresentam ótima precisão pois, além de permitir vazão de ar ou gás, mantém o fluxo do mesmo constante, regulando permanentemente a queda de pressão à montante e à jusante do rotâmetro.

A - Materiais

O tubo de medição pode ser feito de qualquer material, de acordo com o fluido a ser monitorado. Poderá ser de aço inox ou de aços especiais, de materiais plásticos como PCV, teflon, etc.

B - Erros de Calibração

O erro neste tipo de medição é devido somente ao erro do elemento receptor. O sistema não introduz erros consideráveis, desde que convenientemente montado e regulado.

C - Recomendações para seleção

O método do borbulhamento tal como descrito não é indicado para vasos sob pressão, visto que uma variação na pressão do vaso irá afetar a leitura, somando-se à coluna de líquido. Isto faz com que o instrumento receptor acuse nível maior que o realmente existente nos vasos. Sob vácuo ocorre o mesmo. Nestes casos deve-se usar um instrumento de pressão diferencial, onde uma das tomadas é ligada ao topo do equipamento. Os borbulhadores também não são recomendados quando o ar ou gás possa contaminar ou alterar as características do produto. O ar utilizado deve ser o ar de instrumentos, seco e isento de óleo, ou qualquer gás inerte. O líquido não deve conter sólidos em suspensão e sua densidade deve se manter sempre constante.

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D - Recomendações para Instalação

O tubo de medição deve ser instalado firmemente, não permitindo vibrações ou deslocamentos longitudinais. Deve-se cuidar para que equipamentos como agitadores ou serpentinas não interfiram no funcionamento dos borbulhadores. Deve-se, sempre que possível, instalá-lo em um ponto onde as variações de nível por ondulação da superfície sejam mínimas e onde seja possível instalar quebra-ondas. A extremidade do tubo imersa no líquido deve ter um corte em ângulo ou um chanfro triangular, conforme a Fig. 42, com a finalidade de formar bolhas pequenas, garantindo uma pressão a mais estável possível no interior do tubo.

Fig. 42 – Detalhe corte Tubo borbulhador

Medidor de Nível Tipo Capacitivo

Um capacitor consiste em dois condutores, denominados placas, separados por um material dielétrico. Este componente, muito utilizado em circuitos elétricos, tem como principal característica a propriedade de armazenar cargas elétricas. A grandeza que caracteriza um capacitor é a capacitância, expressa em Farad. Um capacitor de 1 Farad armazena 1Coulomb de carga ao ser submetido a uma diferença de potencial de 1 Volt. Quando submetido a uma tensão alternada o capacitor é “percorrido” por uma corrente diretamente proporcional a sua capacitância. A capacitância é função da área das placas, das distância e da constante dielétrica do meio entre as placas. Para capacitores cilíndricos (ver fig. 43), que é o tipo mais aplicável à medição de nível, a capacitância é dada por:

pF/FT

dD log

K . 7,36 C10

==

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Onde: C – Capacitância em picofarad K - constante dielétrica d - diâmetro do sensor D- diâmetro do reservatório Fig. 43 - Capacitor concêntrico com placas Cilíndricas

No caso de instalação não concêntrica, o valor da capacitância pode ser obtida conforme figura 44 a seguir.

pF/ft

d . D4b - D log

K . 7,36 C22

10

==

D4b - D Deq 22

=

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Fig. 44 - Capacitor excêntrico com placas cilíndricas

Princípio de Funcionamento

O medidor por capacitância consiste de uma sonda vertical inserida no vaso no qual se

deseja monitorar o nível. A sonda pode ser isolada ou não e serve como uma das placas

do capacitor. A outra placa é formada pelas paredes do vaso e o fluido comporta-se

como dielétrico. A capacitância é medida através de um circuito em ponte AC, excitado

por um oscilador de alta freqüência (500 kHz a 1,5 MHz). Ao variar o nível no interior do

vaso alteram-se as proporções entre o líquido e o vapor. Como a constante dielétrica da

maioria dos líquidos é maior que a dos vapores, as variações de nível se traduzem em

variações (quase) lineares de capacitância. Conseqüentemente, as sondas capacitivas

também podem ser utilizadas para detectar a interface de líquidos com constantes

dielétricas (K) distintas. A figura 45 ilustra a instalação de uma sonda capacitiva para

medição do nível de um líquido isolante em um vaso com paredes condutoras. É

mostrado, também, o circuito elétrico equivalente.

No circuito, C1 representa a capacitância parasita apresentada pelo isolador da soda e é constante. As capacitâncias C2 e C3 representam os efeitos das constantes dielétricas das fases de vapor e líquido, respectivamente. O valor do resistor R deve ser muito elevado (tendendo ao infinito) e representa a resistência efetiva entre a sonda e as paredes do vaso. As condições de pressão e temperatura determinam o tipo de isolador da sonda, enquanto que as condições do fluido (corrosivo ou não) determinam o seu revestimento.

Fig. 45 - Transmissor capacitivo para líquidos isolantes

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Recomendações de Utilização Para tanques com diâmetros grandes é preferível que a sonda seja formada por um condutor central e uma blindagem concêntrica agindo como a outra placa do capacitor. Isso aumentará a sensibilidade (∆C/∆L) da sonda, além de possibilitar a utilização na medição, aumentando a precisão. Essa configuração também é utilizada quando a parede do vaso não é condutora. Se o fluido for condutor, uma corrente fluirá entre as placas do capacitor, prejudicando a precisão. Sondas com revestimento total de Teflon ou de material isolante similar deverão ser utilizados. Neste caso o revestimento da sonda é o dielétrico, enquanto o fluido comporta-se como a outra placa do capacitor. A figura 46 mostra sondas com revestimentos isolante. S = sonda i = isolador V = vaso Ce = C1 + C2 + C3 1 - Cabeçote

2 - Sonda

3 - Placa externa

4 - Placa interna

5 – Revestimento

Fig. 46 - Sondas capacitivas com revestimentos isolante

A/Blog0,0242Kpl

A/Blog1) - 0.0242Ka(L C1

1010++=

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As sondas capacitivas com revestimento podem também ser utilizadas quando o fluido for corrosivo. A figura 47 ilustra este tipo de sondas, seu circuito equivalente e a capacitância efetiva.

Fig. 47 - Representação elétrica da sonda com revestimento

Para tanques com alturas elevadas (acima de 3m), a sonda pode consistir de um cabo de aço isolado ancorado ao fundo. Sondas montadas horizontalmente possuem uma precisão maior e são adequadas para detecção pontual de nível ou interface líquido, líquido-vapor ou sólido-vapor. A utilização das sondas capacitivas apresentam, por outro lado, alguns inconvenientes: • A temperatura do material altera a constante dielétrica. Um vapor típico do coeficiente de temperatura é - 0,1% / ºC. Portanto se é prevista a variação de temperatura do material deve-se dotar o sistema de medição de um compensador automático de temperatura. • A composição química e física do material ou a alteração de sua estrutura podem afetar a constante dielétrica. Este efeito é mais pronunciado nas aplicações com sólidos, onde a granulometria das partículas e o seu volume específico (m 3/kg) afetam a constante dielétrica.

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• Em aplicações com líquidos condutivos viscosos é possível que o material incruste na superfície da sonda. Em uma redução de nível a camada aderida à superfície acarreta um erro de medida, já que o instrumento indicará o nível anterior à redução. Nesse caso utiliza-se sistema com proteção contra incrustação. Polpas condutores de baixa fluidez, por exemplo, freqüentes na indústria alimentícia (mostarda, coalhada, massa de tomate, etc.), formam uma camada sobre a sonda, a qual escoa com dificuldade e impede a medição do nível até que tenha diminuído de espessura. Dessa forma, a resistência elétrica entre a sonda e a parede do reservatório torna-se menor ou, no máximo, igual à reatância capacitiva. • A presença de bolhas de ar ou espuma na superfície do líquido pode acarretar indicações falsas. • A interface entre dois líquidos condutores não pode ser detectada por esse tipo de sonda. • A contaminação do fluido com água afeta a indicação devido à elevada constante dielétrica da água. Outro problema é a contaminação do isolamento da sonda com umidade. Essa contaminação é especialmente problemática com certos líquidos ou polpas (pastas) condutoras. Assim, líquidos como ácido clorídrico e soluções de cloreto (água do mar) formam um fino filme condutor contínuo na superfície do isolamento que, devido a sua resistência relativamente baixa altera totalmente as características elétricas da sonda capacitiva de detecção.

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Sólidos Material K Material K

Ácido acético Asbestos Asfalto Baquelite Carbonato de Cálcio Celulose Óxido de ferro Vidro Óxido de chumbo Óxido de magnésio Naftaleno Nylon Papel

4,1 4,8 2,7 5,0 9,1 3,9 14,2 3,7 25,9 9,7 2,5 45,0 2,0

Fenol Polietileno Polipropileno Porcelana Quartzo Borracha Areia Enxofre Açúcar Uréia Sulfato de zinco Teflon

4,3 4,5 1,5 5,7 4,3 3,0 3,5 3,4 3,0 3,5 8,2 2,0

Líquidos Material Tempo(°C) K Material Tempo(°C) K

Acetona Amônia Anilina Benzeno Benzila Bromo Butano Tetracloreto de carbono Óleo de rícino Cloro Clorofórmio Cumeno Ciclohexano Dimetil-heptano Dinetilpentano Dowtherm Etanol Acetona etila Etilbenzeno Cloreto de etileno Éter etílico Etilbenzeno Ácido fórmico Freon 12 Glicol

22 -32 0 20 94 20 -1 20 16 0 0 20 20 20 20 21 25 20 20 20 20 24 16 21 20

21,4 22,4 7,8 2,3 13,0 3,1 1,4 2,2 4,7 2,0 5,5 2,4 2,0 1,9 1,9 3,3 24,3 6,4 2,5 10,5 4,3 3,0 58,5 2,4 41,2

Heptano hexano Ácido clorídrico Iodo Querosene Metanol Álcool metílico Éter metílico Óleo mineral Naftaleno Octano Pentano Fenol Fosgênio Propano Piridina Estireno Enxofre Tolueno Uretano Éter vinílico Água Água Água Xileno

20 20 28 107 21 25 20 26 27 20 20 20 48 0 0 20 25 400 20 23 20 20 0 100 20

1,9 1,9 4,6 118,0 1,8 33,6 33,1 5,0 2,1 2,5 2,0 1,8 9,9 4,7 1,6 12,5 2,4 3,4 2,4 3,2 3,9 80,0 88,0 48,0 2,4

Tabela 1 - Constante dielétricas de vários materiais

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Medidor de Nível Tipo Ultra-Som

O método que utiliza o ultra-som para medir nível, considera as características de propagação do som nos meios aplicados. Por exemplo: Na água a 10°C, a velocidade de propagação do som é de 1440 m/s; No ar, a 20°C, a velocidade corresponde a 343 m/s. Geração do ultra-som As ondas de ultra-som são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos. A característica marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando é aplicada uma tensão. Assim sendo eles podem ser usados como geradores de ultra-som compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico resulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade o material piezelétrico é usado como receptor de ultra-som. Pela sua estabilidade o quartzo cultivado é um dos materiais mais recomendados para fabricação do sensor transdutor. A excitação desses transdutores pode ser realizada de três maneiras: a) Pulso: a excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com pulsos que podem atingir uma tensão acima de 500V e com a duração de alguns nanosegundos. A freqüência de repetição dos pulsos é da ordem de 300 a 1000 kHz. b) Onda Contínua: como o nome indica, na excitação por onda contínua o transdutor é excitado por uma onda senoidal (às vezes, onda quadrada) ininterruptamente. c) Trens de onda: pode ser produzido por um gerador de ondas senoidais, que é ligado por um espaço de tempo e, em seguida, desligado, repetindo-se o processo periodicamente.

1 - Material Piezoelétrico Fig. 48 - Geração de ultra-som

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O princípio de operação dos dispositivos ultra-sônicos tem por base uma lei da ótica física: “O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão” (ver figura 48). Fig. 49 - Princípio de reflexão de ondas

Quando uma onda ultra-sônica que se propaga em um meio incide sobre a interface de duas substâncias de densidades diferentes faz surgir duas ondas emergentes: uma onda ultra-sônica proveniente da reflexão nessa interface (onda refletida) e outra proveniente da mudança de meio de propagação, denominada onda refratada (ver figura 50). Cada interface refletirá de forma diferente, conforme esquematizado na figura 50.

Fig. 50 - Reflexão e refração da onda ultra-sônica (diferentes meios resultam em

diferentes reflexões)

2 1

1- Onda Incidente 2- Onda refletida

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Como o funcionamento do instrumento de medição de nível do tipo ultra-sônico depende da onda refletida é importante que o transdutor seja montado perpendicularmente à superfície do produto cujo nível está sendo medido. Um pequeno desalinhamento pode causar significativa degradação na performance do instrumento, uma vez que as ondas ultra-sônicas são refletidas com o mesmo ângulo das ondas incidentes. O princípio de operação dos dispositivos do tipo ultra-sônico baseia-se na reflexão da onda gerada pelo transdutor quando esta encontra a interface do produto cujo nível se deseja medir ou, mais precisamente, no lapso de tempo gasto pela onda desde o instante em que ela é gerada até o instante em que ela retorna ao transdutor, depois de refletir-se na interface; é a chamada técnica do ECO. Como o som se propaga com velocidade constante e conhecida em um determinado meio (usualmente, o ar) e em uma determinada temperatura, o tempo entre a emissão e a recepção da onda refletida (ECO) será proporcional à distância entre o sensor e o objeto que ocasionou a reflexão. Assim, pode-se escrever que: Distância = Velocidade . Tempo Onde: Velocidade = velocidade de propagação da onda ultra-sônica em um determinado meio;

Tempo = metade do tempo decorrido entre a emissão e a recepção da onda refletida (ECO).

Medidor Contínuo de Nível do Tipo Ultra-Sônico Neste sistema o nível é medido com base na velocidade de propagação da onda no meio e no tempo decorrido entre a emissão e a recepção da onda refletida (ECO). Usualmente, nas aplicações de medição contínua de nível do tipo ultra-sônico o transdutor é montado no topo do equipamento, embora também possa ser montado imerso no meio líquido cujo nível se deseja medir. A figura 51 ilustra algumas aplicações:

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Figura 51 - Medidor contínuo de nível do tipo ultra-sônico.

A instalação A prevê dois transdutores, um para emissão e outro para recepção, montados em posições distintas; esta opção de instalação é pouco utilizada nas aplicações industriais. Nela, a onda é gerada e propaga-se no ar até atingir a interface ar-líquido, onde ocorre a reflexão, para, em seguida, a onda refletida (ECO) ser recebida no receptor. Na instalação B o transdutor gera um trem de pulsos (burst) ultra-sônico; enquanto a energia acústica é gerada o receptor está desativado. Neste caso, como o emissor e o receptor estão num único instrumento faz-se necessária a ativação do receptor após a emissão do trem de ondas, visando à detecção da onda refletida (ECO). A montagem das unidades de emissão/recepção no meio gasoso traz a vantagem de se evitar o contato do instrumento com o fluido do processo; em contrapartida, apresenta a desvantagem de transferir para o meio gasoso uma parcela maior de energia. Tanto no caso da instalação A como no da B a medição contínua do nível de líquido se faz de maneira indireta, uma vez que todo o percurso da onda é realizado no meio gasoso (ar).

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No caso da instalação C a unidade ultra-sônica está montada imersa no próprio material de processo cujo nível se deseja medir. Nessa instalação mede-se diretamente o nível do produto. A instalação D é uma variação da instalação C. Nesse caso, a unidade de medição está montada externamente ao vaso, apresentando a vantagem adicional de não necessitar furar o equipamento (podem-se utilizar bocais existentes). Todas as instalações discutidas neste item são aplicáveis à detecção de nível de líquidos limpos, enquanto as instalações A e B também podem ser utilizadas para medir nível de sólidos. Como as ondas de som produzidas pelos medidores do tipo ultra-sônico são transmitidas mecanicamente pela expansão do meio material, a transmissão das ondas requer um meio para propagação; conseqüentemente, variações no meio podem afetar a velocidade de propagação e afetar a medição do nível. Variações na temperatura do meio também afetam a velocidade de propagação do som; por isso, a maioria dos transdutores incorpora um sensor de temperatura que corrige a velocidade do som em função da temperatura do meio de propagação. Caso as condições em que o instrumento de medição de nível do tipo ultra-sônico for operar não sejam aquelas especificadas pelo fabricante do instrumento, os problemas encontrados deverão ser devidamente analisados e compensados, ou eliminados de forma a não afetarem a precisão da medição de nível feita pelo instrumento. Presença de espuma, poeira, vapor, névoa ou neblina, além de turbulência do líquido e bloqueio do sinal pela presença de interferências são alguns dos fatores que afetam a medição de nível e que, se ocorrerrem, devem ser devidamente compensados ou, se possível, eliminados. A presença de espuma no processo tem efeitos imprevisíveis em uma medição de nível utilizando dispositivo do tipo ultra-sônico. Dependendo da propriedade da espuma, o ECO pode ser refletido no topo dela, por alguma coisa existente dentro dela, absorvido completamente por ela (resultando na perda do ECO) ou não ser afetado.

Medição de Nível por Pesagem

A medição de nível por pesagem consiste, basicamente, na instalação de células de carga 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.

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As células de carga podem ser instaladas sob os pontos de apoio da estrutura do silo, de tal forma que o peso seja nelas aplicado. Para essas aplicações é necessário que essas células sejam imunes a esforços laterais. Para isso seus encostos para a carga são constituídos de apoios especiais do tipo côncavo ou esférico. O número de células de carga varia em função da forma de silo. A solução que apresenta melhor precisão é apoiar o silo em três células defasadas 120º em relação à projeção do seu centro de simetria. Sempre que possível o silo deve ser projetado com seção transversal circular, de forma a garantir uma distribuição estável e equalizada de seu peso total entre as três células de carga.

Em algumas instalações existem silos apoiados em uma ou duas células de carga,

sendo os outros apoios fixos; esta solução não é recomendada devido à imprecisão

provocada pela distribuição desigual do peso entre os apoios.

Para silos pequenos podem ser usadas células de carga que são deformadas por tração; neste caso o silo é suspenso por uma única célula, eliminando-se o problema de distribuição de carga. Os sistemas de medição de nível através de pesagem exigem que o silo seja fisicamente isolado da estrutura do prédio evitando, dessa forma, que forças estranhas sejam aplicadas às células de carga, introduzindo erros na medição.

Exemplo de sistema de pesagem

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Algumas alterações do projeto estrutural do prédio poderão ser necessárias, uma vez que o peso do silo não está mais distribuído em uma estrutura de sustentação, mas, sim, concentrado em pontos onde serão instaladas as células de carga. Os sistemas de enchimento e esvaziamento do silo deverão ser cuidadosamente projetados, tendo em vista minimizar sua interferência no sistema de medição. Deve ser evitada a instalação de vibradores, motores e outras fontes de vibração em contato direto com o silo. Em silos mais altos ou instalados em local sujeito a vibrações excessivas recomenda-se a colocação de barras estabilizadoras nas suas laterais para absorver os eventuais esforços horizontais que tendam a desequilibrá-lo, prejudicando o desempenho do sistema.

Medição de Nível de Sólidos

O aparecimento de modernas plantas com processos que exigem o manuseio de materiais sólidos granulados com melhor monitoração e/ou controle vem pressionando os fabricantes de instrumentos de medição a desenvolverem/melhorarem as técnicas de medição dessa variável (onde as tecnologias convencionais não se aplicam). Hoje encontramos no mercado vários tipos de dispositivos eletromecânicos, eletrônicos, sônicos ou nucleares para atender as diversas situações em que seja necessário o controle do volume ou da massa de sólidos armazenados em silos, depósitos de compensação e sistemas de dosagem. Embora alguns deles tenham aplicação quase universal e com ótimos resultados, devido a seu custo perdem lugar para dispositivos mais simples, ou menos precisos, desde que estes atendam satisfatoriamente aos requisitos do processo e às condições físicas para a sua instalação. Para a seleção do dispositivo mais adequado a cada caso torna-se imprescindível o conhecimento do funcionamento e das limitações dos diversos tipos de transdutores existentes, devendo ser considerados, ainda, fatores tais como material estocado, geometria e estrutura do silo, precisão requerida, custo, etc. Tipos de sistema mais utilizados A técnica a ser utilizada para medição de nível de sólido deve ser escolhida após análise da aplicação quanto ao seu comportamento dinâmico, tipo de silo ou tanque, tipo do material, precisão requerida, etc. Dentre as técnicas disponíveis podemos citar a sonda capacitiva, o sistema de pesagem, os sistemas radioativos, ultra-sônicos , etc.....

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Escolha do tipo de Medidor de Nível

A escolha do tipo de medidor de nível não é uma tarefa tão simples quanto parece ser a princípio. Excluindo aplicações para líquidos como a água, que não requer grandes cuidados na escolha, a especificação do sensor deve levar em consideração características químicas e físicas, o estado da matéria, as interferências das variáveis temperatura e pressão e, principalmente, o local da instalação. Se a opção melhor for a medição por pressão diferencial deve-se recorrer às mesmas recomendações sugeridas para os medidores de pressão de líquidos. Se o fluido for sólido granulado é importante verificar a geração de poeira, vapores e também o perfil de carga e descarga.

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Sistema de Medição de Vazão

Introdução Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, de gases e até de sólidos granulados, não só para fins contábeis como também para a verificação do rendimento do processo. Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão, adequadas às condições impostas pelo processo. Neste capítulo abordaremos algumas dessas tecnologias, suas aplicações e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle.

Conceitos Físicos Básicos para Medição de Vazão Calor Específico Define-se calor específico como o quociente da quantidade infinitesimal de calor fornecido à unidade de massa duma substância pela variação infinitesimal de temperatura resultante desse aquecimento.

Na prática, calor específico é a quantidade de calor necessária para alterar em 1°C a

temperatura de 1 grama de uma substância.

O conhecimento do calor específico de determinada substância é muito importante para um bom controle da vazão. Para exemplificar, podemos citar o caso em que se deseja controlar a vazão de um fluido no estado gasoso tendo uma placa de orifício como elemento primário. É necessário que se conheça a relação “k” do calor específico do gás a ser medido para podermos calcular o seu coeficiente de correção da expansão térmica e, posteriormente, dimensionarmos a placa de orifício. Esta relação do calor específico K é a relação do calor específico de um volume constante CV relativo ao calor específico da pressão constante CP do gás.

Equação ( 1 )

Onde:

k = CP/CV

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k = relação dos calores específicos CP = calor específico à pressão constante J/Kg x K CV = calor específico a volume constante J/kg x K K Temperatura em Kelvin Viscosidade É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Essa resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão. Viscosidade absoluta ou dinâmica Define-se como sendo o atrito interno num fluido, que se opõe ao movimento relativo de suas moléculas e ao movimento de corpos sólidos que nele estejam. É representada pela letra grega µ (mi). Unidade absoluta ou dinâmica As unidades de viscosidade dinâmicas mais utilizadas na indústria são: Pa . s, Poise e centipoise Viscosidade cinemática É a relação entre a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido, tomados a mesma temperatura. É representada pela letra ν (ni). Unidade de Viscosidade Cinemática As unidades de viscosidade cinemática mais utilizadas na indústria são: m2/s, stoke (cm2/s) e centistoke. Tipos de Escoamento Regime Laminar Caracteriza-se por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do duto, sem passagem das partículas do fluido de uma camada para outra e sem

2cmdyna.S

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variação de velocidade para determinada vazão. Regime Turbulento

Caracteriza-se por uma mistura intensa do líquido e por oscilações de velocidade e pressão. O movimento das partículas é desordenado e sem trajetória definida. Número de Reynolds Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua determinação é importante como parâmetro modificador dos coeficientes de descarga.

Onde: V - velocidade (m/s) D - diâmetro do duto (m) v - viscosidade cinemática (m 2 /s) Observação: • Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento; caso contrário, é sempre laminar. • Nas medições de vazão na indústria o regime de escoamento é, na maioria dos casos, turbulento, com Re > 5.000. Distribuição de Velocidade em um Duto Em regime de escoamento, a velocidade não será a mesma em todos os pontos do interior de um duto. Será máxima no ponto central e mínima na parede do duto. Regime Laminar É caracterizado por um perfil de velocidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidade são maiores.

vD .V Re =

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Figura 1 – Regime Laminar

Regime Turbulento É caracterizado por um perfil de velocidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores.

Figura 2 – Regime Turbulento

Observação: Por essas duas fórmulas percebe-se que a velocidade de um fluido na superfície da seção de um duto é zero (0). Podemos entender o porquê da velocidade nas paredes das tubulações considerando, também, o atrito existente entre o fluido e a superfície das mesmas.

=

2

Rx - 1 . V V máxx

=

nmáxx

Rx - 1 . V V

1

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Figura 3 – Velocidade de escoamento em um duto

Vx = velocidade num ponto qualquer da seção Vmáx = velocidade no eixo central da seção rx = raio da seção

n = coeficiente variável que depende do número de Reynold.

Tabela - Relação entre Red e N

Nº REYNOLDS Red x 104

n Nº REYNOLDS

Red x 104 n

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 Medição de Vazão por Perda de Carga Variável Considerando-se uma tubulação com um fluido passante chama-se perda de carga a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda são o atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, a mudança de pressão, a velocidade devido a uma curva ou obstáculo, etc. Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculo ao fluxo do líquido, provocando uma queda de pressão. Relacionando essa perda de pressão com a vazão, determina-se a medição de vazão pela seguinte equação:

Onde:

p * T1Tp *

PpP1 *K Q ∆=

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Q = vazão do fluido do local do estreitamento K = constante P1 = Pressão Medida Pp = Pressão de Projeto T1= Temperatura medida Tp = Temperatura de projeto

∆P = perda de carga entre o fluxo, a montante e jusante do estreitamento.

Figura 4 – Medição de vazão por perda de carga variável

Placa de Orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e, assim, efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e, portanto, a mais empregada. Consiste, basicamente, de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação, entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16” a 1/4”.

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Figura 16 - Placa de Orifício e Flange de União

O diâmetro do orifício é calculado de modo a que seja o mais preciso possível e suas dimensões suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se ficarem gastas ou corroídas pelo fluido a precisão da medição será comprometida. A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, um na montante da placa e outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este último não está no orifício porque, devido à inércia do fluido, a área da secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de forma que sua velocidade máxima está a jusante, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão mais acentuada. Outros tipos de tomada de pressão, conforme veremos mais adiante, também são utilizadas. As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, monel, latão, etc. A escolha depende da natureza do fluido a medir.

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Tipos de orifício a) Orifício Concêntrico Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquidos, gases e vapores que não contenham sólidos em suspensão. Podemos ver sua representação a seguir:

Figura 17 - Placa de Orifício Concêntrico

A face de entrada deverá ser polida. O ângulo de entrada do orifício deverá ser de 90°, com aresta viva e totalmente isenta de rebarbas e imperfeições. Observação: Em fluidos líquidos com possibilidade de vaporização, a placa deve ter um orifício na parte superior para permitir o arraste do vapor. Em fluidos gasosos com possibilidade de formação de condensado o furo deve ser feito na parte inferior, para permitir o dreno. b) Orifício Excêntrico Este tipo de orifício é utilizado em fluidos contendo sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser posicionado na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem.

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Figura 18 - Placa de Orifício Excêntrico

É usado especialmente em tubulações horizontais. Ao contrário do que aconteceria com a placa de orifício concêntrico, neste não teríamos problemas de acúmulo de impurezas na entrada da placa. Durante sua instalação o orifício deverá ser inteiramente tangente ao tubo, porém admite-se que fique ligeiramente afastado do círculo inteiro do mesmo, desde que esse afastamento não exceda 1/16” ou seja 1,6 mm. c) Orifício Segmental Este tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido disposta em forma de segmentos de círculo. A placa de orifício segmental é destinada para fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. Existem duas maneiras para confeccionarmos orifícios segmentais:

Figura 19 - Placa de Orifício Segmental

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• para tubulações pequenas o orifício é, geralmente, preso entre dois flanges na tubulação. • para tubulações grandes (superiores a 24”) o orifício segmental é, em geral, totalmente soldado ao tubo.

Figura 20 - Placa de Orifício Segmental para Tubulações de Ø > 24”

Tipos de Contorno do Orifício a) Orifício com bordo quadrado Sua superfície interna forma um ângulo de 90º com ambas as faces da placa. É empregado em tubulações maiores que 6”. Não é utilizado para medição de vazão de fluidos com número de REYNOLDS baixo.

Fig. 21 – Orifício com bordo quadrado

b) Orifício com bordo arredondado É utilizado para fluidos altamente viscosos, onde o nº de REYNOLDS está em torno de 300.

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Figura 22 – Orifício com bordo arrendondado

c) Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45º.

É de uso geral.

Observação: O chanfro na face jusante serve para diminuir a turbulência. Seu ângulo pode variar de 30º a 45º, sendo também utilizado em placas espessas para que tenhamos a “garganta” dentro de medidas recomendáveis.

Figura 23 – Orifício com bordo quadrado e face da jusante em ângulo de 45o

d) Orifício com bordo quadrado com rebaixo na fase jusante. É usado quando se requer grande precisão em uma tubulação menor que 4”.

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Figura 24 – Orifício com bordo quadrado com rebaixo na fase jusante

e) Orifício especiais Os orifícios abaixo descritos são utilizados para medições de vazão com “baixo” número de REYNOLDS. Em medições nas quais haja variações na viscosidade temos uma conseqüente alteração na pressão diferencial. Estudos em laboratórios chegaram a determinados tipos de orifício que permitem uma maior variação na viscosidade, provocando uma pequena alteração no coeficiente de descarga.

Fig. 25 - Bordos Especiais

Tomadas de Impulso em Placas de Orifício a) Tomadas de Flange As tomadas de flange são, de longe, as mais populares. Os flanges para placas de orifício já são feitos com os furos das tomadas perfurados e com rosca. Podem ser do tipo rosqueado ou soldado. Após rosqueados ou soldados na tubulação é necessário perfurar a parede do tubo usando o próprio furo do flange como modelo e acesso. Os furos devem ser isentos de rebarbas e faceados com o tubo. No caso de flange tipo “WELDING NECK” não é necessário refurar mas deve-se tomar cuidado com a soldagem. Eles devem estar concêntricos à tubulação. As rebarbas de solda dentro da mesma devem ser eliminadas

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para evitar distúrbios na passagem do fluido, os quais poderiam causar imprecisões na

medição.

Figura 26 - Tomada de Flange

a. 1) Vantagens da tomada de flange 1. Pode ser facilmente inspecionada, dada sua localização próxima à face do flange. 2. Os flanges podem ser adquiridos prontos, dentro de normas com grande precisão. 3. As tomadas são simétricas, podendo ser utilizadas para fluxo nos dois sentidos. 4. Apresenta excelente precisão. a.2) Desvantagens da tomada de flange 1. Os flanges utilizados são especiais, portanto, caros. 2. Não se recomenda o uso desse tipo de tomada para casos em que a relação entre o diâmetro do orifício e o diâmetro da tubulação é grande e em tubulações menores que 2” devido ao fato de que a tomada de baixa pressão se situa numa região altamente instável da curva de recuperação de pressão. b) Tomadas de Vena Contracta As tomadas de Vena Contracta permitem o uso de flanges comuns, pois são normalmente acopladas diretamente à tubulação, podendo ser também soldadas ao tubo. A parede do tubo é perfurada e o acabamento interno é feito como descrito anteriormente. Quando as conexão são colocadas diretamente no tubo, o “NIPPLE” deve

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estar exatamente perpendicular a ele e não penetrar no mesmo. A espessura do flange da placa de orifício não permite que a tomada à jusante seja colocada próxima à placa, em linhas de pequenos diâmetros. Por essa razão esse tipo de tomada é mais indicado para tubos de diâmetros acima de 4 polegadas. O centro da tomada de alta pressão deverá estar localizado entre ½ e 2D do plano de entrada da placa. O centro da tomada de baixa pressão estará colocado no ponto em que a pressão é mínima (“Vena Contracta”). Essa distância depende da relação d/D.

Figura 27 - Gráfico da tomada à jusante da Vena Contracta

Para relações d/D menores que 0,72 a tomada de baixa pressão poderá ser feita a uma distância D/2 após a placa, com um erro desprezível. Porém, quando tivermos tubulações com diâmetros menores que 6” a tomada de baixa pressão deverá ser feita no próprio flange, o que poderá ser um inconveniente. Uma das vantagens deste tipo de tomada é o fato de não necessitarmos de flanges especiais.

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Figura 28 - Tomada de Vena Contracta

Observação: A distância Dv dependerá de β, o qual determinará o ponto de Vena Contracta. c) Tomadas de Tubulações (Pipe Taps)

Figura 29 - Tomada de tubulações (PIPE - TAPS 2 ½ e 8 D)

As tomadas de tubulação (montante: 2,5 diâmetro do tubo distante da placa; jusante: 8 diâmetro de distância) permitem a medição direta da perda de carga permanente atual. O diferencial é menor que em outros tipos de tomada. A rugosidade da parede à jusante pode criar uma perda de carga adicional e ocasionar erros na medição. Para esse tipo de tomada não são necessários flanges especiais. Além disso, não se pode utilizá-lo em fluxos bidirecionais. c) Tomada de Canto (CORNER TAPS) As tomadas de canto são constituídas nos flanges de placa e usadas, principalmente, para tubos abaixo de 2 polegadas de diâmetro. A placa de orifício situa-se numa reentrância dos flanges. A tomada de pressão é feita através de uma estreita passagem concêntrica num anel piezométrico entalhado na face do flange. Suas vantagens são as mesmas das tomadas nos flanges, porém estas são mais sujeitas a entupimentos.

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Fig. 30 - Tomada de canto

d) Tomada tipo RADIUS/TAPS É similar à Vena Contracta, exceto pelo fato da tomada de baixa pressão estar situada a meio diâmetro da face montante da placa de orifício. Existem diferenças quanto à precisão e também limites referentes ao Nº de REYNOLDS entre elas. Portanto, seu uso não é freqüente, embora apresente a vantagem de ter sua distância da tomada de baixa pressão independente da relação entre os diâmetro (β).

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Tabela 2 - Tipos de Tomadas de Impulso para Placas de Orifício Concêntrico.

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Medição de Vazão por Área Variável Rotâmetro é um medidor de vazão composto por um tubo cônico em cujo interior um flutuador varia sua posição, a qual é proporcional à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: 1) Um tubo de vidro de formato cônico cuja extremidade maior fica voltada para cima, o qual é colocado verticalmente na tubulação pela qual passará o fluido a ser medido. 2) Um flutuador que se moverá verticalmente no interior do tubo em função da vazão medida.

Fig. 33 – Rotâmetro 5.1 – Princípios Básicos do Rotâmetro

O fluido passa através do tubo da base para o topo. Quando não há vazão o flutuador permanece na base do mesmo. O diâmetro maior do flutuador é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueia a pequena extremidade do tubo quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador o empuxo o torna mais leve, porém como ele tem uma densidade maior que a do fluido esse empuxo não é suficiente para levantá-lo.

Conexão de saída

Limite de máxima vazão

Fixador do tubo de vidro

Tubo de vidro cônico

Leitura do medidor

Limite de mínima vazão

Conexão de entrada

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Com a vazão surge também uma força de atrito entre o fluido e o flutuador, a qual tende a levá-lo para cima e que chamaremos de força de arraste. Quando a vazão atinge um valor que faça a força de arraste ser maior que a força-peso do flutuador este começará a subir. Se o tubo fosse paralelo o flutuador subiria até o topo; sendo cônico, a força de arraste diminui à medida que o flutuador sobe até se estabilizar em uma nova posição (aumenta a área disponível para a passagem do fluido). Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro; a diminuição causa queda a um nível mais baixo. Cada posição sua corresponde a um valor determinado de vazão, e somente a um. É necessário apenas colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador.

Condições de Equilíbrio

As forças que atuam no flutuador estão representadas na figura a seguir.

Fig. 34 - Condições de equilíbrio

Para as condições de equilíbrio empregamos as seguintes equações: W = vf . γf F = vf . γ1

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Cd1

Em que: W = peso do flutuador vf = volume do flutuador γf = peso específico do flutuador γℓ = peso específico do fluido F = força de arraste do fluido sobre o flutuador E = força de empuxo do fluido sobre o flutuador Cd = coeficiente de arraste do fluido sobre o flutuador V = velocidade do fluido Af = área da seção do flutuador Aw = seção interior do tubo (livre) Resolvendo as equações anteriores, temos:

O valor Cd depende da viscosidade do fluido e da aerodinâmica do flutuador. Por conveniência incorporamos o termo a este coeficiente de descarga, passando a expressão anterior para:

Como a vazão é igual a: Q = V . Aw Sendo Aw = seção interna do tubo resulta:

2gV . Af. γ1 . cd E

2

=

F + E = W

Af. 1 . cdγ1) - f( vf 2g V

γγ

=

Af. 11) - f( vf 2g . Cd V

γλγ

=

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Vazão em volume

Ou em medidas de peso

Esta fórmula permite determinar a vazão do fluido que passa através de um rotâmetro conhecido.

Tipos de Flutuador

Os flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na figura a seguir, podemos ver os tipos mais utilizados.

Fig. 35 - Tipos de flutuador

Esférico Para baixas vazões e pouca precisão. Sofre uma influência considerável da viscosidade do fluido. Cilindro com borda plana Para vazões médias e elevadas. Sofre uma influência média da viscosidade do fluido.

Af. 11) - f( vf 2g Aw . Cd Qv

γγγ

=

Af. 11) - f( vf 2g Aw . cd Qw

γγγ

=

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Cilindro com borda saliente de face inclinada para o fluxo Sofre menor influência da viscosidade do fluido. Cilindro com borda saliente contra o fluxo Sofre a mínima influência da viscosidade do fluido

Ponto de Leitura em Função 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 função do formato do flutuador

Material do Flutuador

O material mais empregado nos flutuadores é o aço inoxidável 316. No entanto, para satisfazer exigências de resistência, corrosão, etc., utilizam-se também outros materiais. As tabelas a seguir mostram os pesos específicos de diversos materiais empregados em flutuadores. a) Materiais utilizados em flutuadores e seus pesos específicos g/cm3 g/cm3

Alumínio 2,72Bronze 8,78Durimet 8,02Monel 8,84Níquel 8,91Borracha 1,20Inox 303 7,92

Inox 8,04Hastelloy B 9,24Hastelloy C 8,94Chumbo 11,38Tantalo 16,60Teflon 2,20Titânio 4,50

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b) Materiais utilizados em flutuadores esféricos g/cm3 g/cm3

Perda de Carga no Flutuador

A perda de carga no rotâmetro é constante em todo o percurso do flutuador e pode ser

determinada a partir da expressão seguinte:

Instalação

Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido cuja vazão se deseja medir e de maneira tal que o fluido seja dirigido de baixo para cima. Pode ser colocado diretamente na tubulação ou em derivação, o que se considera como ideal. Na derivação o rotâmetro é instalado numa linha de “by-pass”; um sistema de válvulas é utilizado de tal forma que garanta o funcionamento do processo mesmo que o rotâmetro tenha que ser retirado para limpeza ou manutenção.

Fig. 37 - Rotâmetro instalado em linha

Vidro de Borosilicato 2,20 Alumínio 2,72 Safira 4,03 Inox 304 7,92

Inox 316 8,04 Monel 8,64 Carboloy 14,95 Tantalo 16,60

Af1 . vf - Wf p γ

=∆

Em que: Wf = peso do flutuador vf = volume do flutuador γ1 = peso específico do flutuador Af = área transversal máxima

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Medidores de Vazão Tipo Deslocamento Positivo Disco Nutante Este tipo de medidor é utilizado principalmente para medidores de vazão de água, sendo utilizado principalmente em resistências. O líquido entra no medidor através da conexão de entrada e passa por um filtro, indo ao topo da carcaça principal. O fluido, então, se movimenta para baixo através da câmara de medição, indo até a base do medidor e daí à conexão da saída do medidor.

Figura 38 - Disco Nutante

Figura 39 - Estágios de operação do medidor de vazão tipo Disco Nutante

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O movimento do disco é controlado de tal forma que quando o líquido entra na câmara impele o pistão de medição, o qual efetua um movimento de nutação completa em cada rotação. Esses movimentos são transmitidos por um conjunto de engrenagens, ou um acoplamento magnético, ao indicador. Medidores Rotativos Este tipo de medidor de vazão aciona propulsores (rotores) internos. Sua velocidade de rotação ocorrerá em função da velocidade do fluido através da câmara de medição. Três tipos básicos podem ser destacados: a) Rotores de lóbulos b) Palhetas corrediças c) Palheta Retrátil Os rotores lobulares são os mais utilizados para medição de vazão de gases. Esses dispositivos possuem dois rotores com movimentos opostos com a posição relativamente fixa, internamente, a uma estrutura cilíndrica.

Fig. 40 - Medidor para gás com 2 lóbulos de deslocamento rotativo

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A câmara de medição é formada pela parede do cilindro e pela superfície da metade do rotor. Estando o rotor na posição vertical um determinado volume de gás ficará retido no compartimento de medição. Como o rotor gira devido à pequena diferença de pressão entre a entrada e a saída, o volume medido do gás é descarregado na base do medidor. Esta ação se sucede 4 vezes em uma movimentação completa com os rotores em deslocamentos opostos e a uma velocidade proporcional ao volume do gás deslocado. No medidor por palhetas existem muitas variedades. Palhetas podem ser movidas radicalmente (corredição) conforme a superfície de uma came, ou articuladas – como no tipo retrátil.

Fig. 41 - Medidor rotativo de palhetas corrediças

Fig. 42 - Medidor rotativo de palheta retrátil

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Medidores de Vazão por Impacto do Fluido Medidor Tipo Turbina Um medidor de vazão tipo turbina, conforme a figura a seguir, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas suspenso numa corrente de fluido com o eixo de rotação paralelo à direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; sua velocidade angular é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor.

Figura 43 a – Medidor tipo turbina

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Essa bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada uma passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão em que cada pulso representa um pequeno volume determinado de líquido. O sinal detectado é linear à vazão. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções.

Figura 43 b – Vista explodida do Medidor tipo turbina

Embora a teoria básica de um medidor a turbina seja simples, o projeto detalhado é muito trabalhoso e complexo e o desempenho final depende de numerosos fatores, tais como ângulo da palheta, tipo de mancais, número de palhetas e usinagem e montagem dentro das tolerâncias rígidas. Um medidor a turbina corretamente projetado e fabricado tem uma elevada precisão numa faixa de vazão superior a 10:1, além de excelente repetibilidade. Ademais, é pequeno e leve (em relação ao tubo) e tem alta capacidade de vazão para um dado tamanho de medidor. Sua instalação é simples. Por conseguinte, esse medidor é amplamente usado em medições de transferência com fins de faturamento para produtos como óleo cru, petróleo bruto, gás.... Um medidor de turbina é uma unidade versátil: possui uma faixa de pressão e temperatura muito ampla, uma vez que o mesmo é fabricado em aço inoxidável, é compatível com uma ampla faixa de fluidos. Estes, todavia, devem ser relativamente limpos e não ter alta viscosidade. A vazão deve ser em regime laminar.

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Figura 44 - Linearizadores de fluidos

Para esses medidores é muito importante a linearização da vazão. Acima temos dois exemplos de linearizadores que são instalados dentro da tubulação. Fator do Medidor O número de pulsos por unidade de volume é denominado “Fator do Medidor”.

volumepulsos de nº medidor de Fator =

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Figura 45 – Esquema de montagem e forma de onda

Se uma turbina gera, por exemplo, 15.000 pulsos quando estivermos escoando pela mesma 3,0 m3 de um produto qualquer, seu fator será:

Medidores Especiais Os medidores de vazão tradicionais apresentam algumas limitações. Uma delas é que seus sensores primários precisam ser submersos no fluxo a ser controlado. Essa característica tem a desvantagem de produzir perda de pressão na linha como também o acúmulo de partículas ou impurezas no sensor, proporcionando resultados incertos de medição. Os medidores de vazão do tipo especial objetivam superar exatamente essas limitações. Medidor de Vazão por Eletromagnetismo

O princípio de medição é baseado na lei de Faraday, que diz que: “Quando um condutor se move dentro de um campo magnético é produzida uma força eletromotriz (f.e.m.) proporcional a sua velocidade.” Vamos supor um campo magnético com densidade de fluxo magnético igual a B (gauss), aplicado à seção de uma tubulação com diâmetro D (cm). Se a velocidade média do fluido que passa pela tubulação é igual a V (cm/seg), quando colocamos um par de eletrodos em uma posição perpendicular ao fluxo magnético, teremos uma força eletromotriz E(V) induzida nestes eletrodos e sua amplitude dada por: E = B . D . V A figura a seguir ilustra a disposição física dos componentes do medidor em uma tubulação.

3pulsos/m 5.000 3,0

15.000 medidor de Fator ==

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Fig. 46 - Medidor de vazão eletromagnético

B - Densidade do fluxo magnético [ weber/m2] D - Distância entre os eletrodos [m] V - Velocidade do fluxo [m/s] E - Tensão induzida [Volts]B Como sabemos, a vazão (Q) de um fluido em um tubo é dada por: Tirando o valor da velocidade (V) da equação acima e substituindo na equação anterior teremos a vazão (Q) dada em função da densidade de fluxo magnético (B), a força eletromotriz induzida (E) e o diâmetro da tubulação.

Como podemos observar pela equação, variações na densidade de fluxo magnético (B) provocam erro direto no valor de vazão (Q).

V. D . 4

Q 2π=

D . BE .

4 Q

π

=

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A influência das variações de (B) no sinal de vazão (Q) é eliminada pelo transmissor, que também amplifica o microsinal que vem do detector de modo que esse sinal possa operar os instrumentos de recepção. O medidor de vazão eletromagnético utiliza um campo magnético com forma de onda quadrada em baixa freqüência e lê o sinal de vazão quando o fluxo magnético está completamente saturado, fazendo com que não ocorra influência no sinal devido a flutuações de corrente. Todos os detectores são ajustados de maneira que a relação da tensão induzida (E) pela densidade de fluxo magnético (B) seja mantida em um valor proporcional somente à velocidade média do fluxo, independentemente do diâmetro, da alimentação e da freqüência. Observações: 1 - É de suma importância que a parede interna da tubulação não conduza eletricidade e que a parte do tubo ocupada pelo volume definido pelas bobinas não provoque distorções no campo magnético. 2 - As medições por meio de instrumentos magnéticos são independentes de propriedades do fluido, tais como densidade, viscosidade, pressão, temperatura ou mesmo o teor de sólidos. 3 - O fluxo a ser medido deve ser condutor de eletricidade.

Figura 47 - Princípio de funcionamento de medidor magnético de vazão

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Figura 48 – Desenho em corte do medidor magnético de vazão

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 vórtices gerados repetem-se num tempo inversamente proporcional à vazão.

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Figura 52 - Transmissor de vazão tipo Vortex

Nas aplicações industriais pode-se medir a vazão de gases e líquidos incorporando ao obstáculo reto sensores que percebam as ondas dos vórtices e gerem um sinal em freqüência proporcional à vazão. Medição de Vazão em Canal Aberto A maior parte das instalações para medição de vazão implica em medições de vazão de fluidos que circulam através de tubulações fechadas, porém existe uma necessidade cada vez maior da medição de vazão de água através de canais abertos. A medição de vazão em canais abertos está intimamente associada aos sistemas hidráulicos, de irrigação, de tratamento de esgotos e resíduos industriais, processos industriais, etc. Em muitos casos, essa medição se depara com problemas tais como líquidos corrosivos, viscosos, extremamente sujos, espumas, etc. Essas condições poderão fornecer informações errôneas com a utilização dos antigos sistemas mecânicos de medidores de vazão. Devido à necessidade imperiosa de melhor controle da poluição dos rios, esgotos, etc., os seguintes fatores passaram a ser críticos na escolha de um sistema de vazão:

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1. Precisão 2. Baixo custo de manutenção A medição de vazão em canais abertos necessita de um elemento primário que atue diretamente no líquido sob medição e produza uma altura variável, que é medida por um instrumento de nível. Assim sendo, conhecida a área de passagem do fluido (determinada pelo perfil do dique) a altura do líquido sobre o bordo inferior é transformada em unidades de peso ou volume, segundo o requerido. Os sistemas clássicos utilizam bóias, transmissores de pressão, capacitância, borbulhadores, ultra-som, etc. Todos esses sistemas, apesar de apresentarem vantagens, perdem muito em precisão quando os líquidos medidos não são perfeitamente uniformes e limpos. O sistema baseado na admitância dos líquidos supera todos os inconvenientes acima indicados. Para operação basta, simplesmente, fixar um elemento sensor em uma calha ou parede onde se mede a vazão. O elemento sensor interliga-se por fios a um sistema eletrônico remoto. O elemento primário mais utilizado é a calha Parshall, cuja faixa de medição varia de 0 a 2.000 m3/min. A figura 53 mostra o desenho construtivo de uma calha Parshall cujas dimensões são padronizadas a partir do tamanho da garganta (W) e encontradas em tabelas.

Figura 53 - Vista superior e vista lateral

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Tabela 2 - Dimensões de calha Parshall em polegada

W A B C D E F G K N T R Peso Tolerância W

3 18 3/8 18 7 10 1/8 24 6 12 1 2 ¼ 3/16 ¾ 85 1/64

6 24 7/16 24 15 ½ 15 5/8 24 12 24 3 4 ½ ¼ 1 110 1/32

9 34 5/8 34 15 22 5/8 30 12 18 3 4 ½ ¼ 1 175 1/16

12 54 53 24 33 ¼ 36 24 36 3 9 ¼ 2 ½ 270 1/16

18 57 56 30 40 3/8 36 24 36 3 9 ¼ 2 ½ 480 1/16

24 60 59 36 47 ½ 36 24 36 3 9 ¼ 2 ½ 690 3/32

36 66 64 ¾ 48 61 7/8 36 24 36 3 9 ¼ 2 ½ 880 3/32

48 72 70 5/8 60 76 ¼ 36 24 36 3 9 ¼ 2 ½ 1100 3/32

60 78 76 ½ 72 90 5/8 36 24 36 3 9 3/8 2 ½ 1500 3/32

72 84 82 3/8 84 105 36 24 36 3 9 3/8 2 ½ 1800 3/32

84 90 88 ¼ 96 119 3/8 36 24 36 3 9 3/8 2 ½ 2000 3/32

86 96 94 1/8 108 133 ¾ 36 24 36 3 9 3/8 2 ½ 2100 3/32

120 ____ 168 144 187 ¼ 48 36 72 6 13 ½ 3/8 3800 3/32

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Sistema de Medição de Temperatura Termômetro à dilatação de sólido ou Termômetro Bimetálico Princípio de Funcionamento A operação deste tipo de termômetro se baseia no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. É sabido que o comprimento de uma barra metálica varia com a temperatura, segundo a fórmula aproximada: L = Lo (1 + α t) Onde: L = comprimento da barra à temperatura t. Lo = comprimento da barra a 0oC. t = temperatura da barra. α = coeficiente de dilatação linear do metal utilizado Deste modo poder-se-ia construir um termômetro baseado na medição das variações de comprimento de uma barra metálica. A figura abaixo mostra dois tipos de termômetros baseados diretamente neste fenômeno: • O primeiro tipo consiste em uma barra metálica sustentada horizontalmente e em um sistema mecânico

para amplificação das pequenas variações de comprimento da barra.

• O segundo tipo baseia-se na medição da diferença de dilatação entre um tubo feito de material de coeficiente de dilatação e uma haste interna de material de baixo coeficiente de dilatação.

PONTEIRO

AMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

TUBO DE DILATAÇÃO

(LATÃO)

HASTE DETRANSMISSÃO

(INVAR)

PONTEIROAMPLIFICAÇÃOMECÂNICA

BARRA DE DILATAÇÃOAJUSTE DE

ZERO

Figura 1 – Princípio de Funcionamento

Estes termômetros apresentam dois graves inconvenientes:

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• O elemento sensor possui uma grande massa, o que torna a resposta do termômetro lenta.

• A variação do comprimento experimentada pela barra é muito pequena, necessitando de uma grande amplificação mecânica até o dispositivo de indicação. Este último fator pode ser evidenciado no seguinte exercício: • Calcular a variação de comprimento sofrida por uma barra de ferro cujo comprimento a 0oC é de 300mm quando ela for submetida a uma temperatura de 100oC. Dado: Coeficiente de dilatação linear de ferro αFe = 12.10-6. oC -1 L = 10.(1 + α.t) L = 300.(1 + 12 . 10-6 . 100) L = 300.(1 + 0,0012) L = 300. (1,0012) = 300,36mm Onde: L = comprimento a 100°C. Lo = comprimento a 0°C. t = 100°C. Variação de comprimento: ∆L = L - Lo ∆L = 300,36 - 300,00 ∆L = 0,36mm

Portanto, uma variação de 100ºC em uma barra de ferro de 300mm provoca uma variação de apenas 0,36 em seu comprimento. Bimetal Fixando-se duas lâminas metálicas com coeficientes de dilatação diferentes da maneira indicada na figura e submetendo o conjunto assim formado a uma variação de temperatura observa-se um encurvamento, que é proporcional à temperatura. O encurvamento é devido aos diferentes coeficientes de dilatação dos dois metais, sendo o segmento de círculo a forma geométrica que comporta as duas lâminas com comprimentos diferentes.

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Evidentemente, fixando-se uma extremidade da lâmina bimetálica o movimento da outra ponta representará a temperatura da mesma. A sensibilidade deste sistema é bem superior à do apresentado na figura anterior, sendo tanto maior quanto for o comprimento da lâmina e a diferença entre os dois coeficientes de dilatação dos metais. Um termômetro elementar baseado no efeito bimetálico é apresentado na figura a seguir.

MATERIAL A

MATERIAL B

αA > αB

Figura 2 – Bimetálico

Termômetro Bimetálico Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta mais ainda a sensibilidade do sistema, conforme a figura 3.

ESPIRAL HELICOIDAL

Figura 3 – Termômetro Bimetálico

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O termômetro mais usado é o de lâmina bimetálica helicoidal. Consiste em um tubo bom condutor de calor em cujo interior é fixado um eixo que, por sua vez, recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala.

APOIO

METALHELICOIDAL

HASTEDE

TRANSMISSÃO

APOIO

Figura 4 – Termômetro Bimetálico Tipo Helicoidal

Normalmente, o eixo gira em um ângulo de 270°, para uma variação de temperatura que cubra toda a faixa do termômetro. Material de Construção Faixa de Trabalho e Exatidão

A sensibilidade do termômetro depende das dimensões da hélice bimetálica e da diferença de coeficiente de dilatação dos dois metais. Normalmente usa-se INVAR como metal de baixo coeficiente de dilatação. INVAR: Aço com aproximadamente 36% de níquel, que possui baixo coeficiente de dilatação (aproximadamente 1/20 dos dois metais comuns). O latão é utilizado como material de alto coeficiente de dilatação. Para temperaturas mais elevadas usam-se ligas de níquel.

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A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de –50°C a 800°C, sendo a escala sensivelmente linear. A exatidão normalmente garantida é de ± 2% do valor máximo da escala. Usualmente, as lâminas bimetálicas são submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos após a confecção, usando-se a estabilização do conjunto (repetibilidade). Termômetro de Resistência Princípio de Funcionamento O princípio de medição de temperatura por meio de termômetros de resistência repousa essencialmente sobre a medição de variação da resistência elétrica de um fio metálico em função da temperatura. A relação matemática entre a resistência de um condutor e sua temperatura é dada pela fórmula aproximada: R = Ro (1 + αt) Equação nº1 Onde: R = resistência a t°C. Ro = resistência a 0°C. α = coeficiente de variação de resistência do metal com a temperatura. t = temperatura. Esta fórmula nos diz que a resistência varia linearmente com a temperatura, porém a rigor o coeficiente de variação de resistência (α) muda de valor para cada faixa de temperatura, o que limita o uso da fórmula apenas para pequenas variações de temperatura. A relação matemática mais geral é a seguinte:- R = Ro (1 + α1t + α2t2 + α3t3 + ... + αntn) Onde: R = resistência a t°C. Ro = resistência a 0°C. α1, α2, α3, αn = coeficiente de variação de resistência do metal. t = temperatura.

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Podemos observar que os termos do 2º grau e maiores (α2t2, α3t3...) contribuem para a não linearidade da relação, sendo que quanto maior o valor das constantes dos termos de 2º grau para cima maior o afastamento da linearidade. Tipos de Bulbo de Resistência Características Desejáveis: O tipo de metal utilizado na confecção de bulbos sensores de temperatura deve possuir características apropriadas, como: • Maior coeficiente de variação de resistência com a temperatura (α1, α2, ... αn). Quanto maior o coeficiente, maior será a variação da resistência para uma mesma variação de temperatura, tornando mais fácil e precisa a sua medição. • Maior resistividade, isto é, para pequenas dimensões de fio apresenta uma alta resistência inicial. • Estabilidade do metal para as variações de temperatura e condições do meio (resistência à corrosão, baixa histerese, etc.). • Linearidade entre a variação de resistência e a temperatura, produzindo escalas com mais precisão e maior comodidade de leitura. Tipos de Metal Utilizados e Faixa de Utilização: Os metais utilizados com maior freqüência na confecção de termo resistência são: • platina (Pt) • níquel (Ni) • cobre (Cu) Para pequenas faixas de temperatura um coeficiente médio α (variação de resistência) pode ser utilizado. Porém, em faixas mais amplas necessita-se da introdução dos coeficientes de ordem superior, para uma maior aproximação da curva real de radiação R versus T.

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Por exemplo, no caso da platina dois coeficientes são suficientes. Até a temperatura de 649°C essa relação é quadrática e se afasta da relação linear em aproximadamente 7% do valor máximo.

Para o cobre são necessárias três (3) constantes, válidas até a temperatura de 121°C. Apesar dessas constantes a relação entre a resistência e a temperatura é sensivelmente linear (pequenos valores de α1 e α2). Três constantes são necessárias para o níquel na faixa usual da temperatura, sendo a relação sensivelmente não linear. A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir: PLATINA - faixa - 200 a 600°C (excepcionalmente 1200°C) - Ponto de Fusão 1774°C. NÍQUEL - faixa - 200 a 300°C - Ponto de Fusão 1455°C. COBRE - faixa - 200 a 120°C - Ponto de Fusão 1023°C. Tipos de Construção Normalmente, a termoresistência é constituída de um fio muito fino enrolado sobre um suporte isolante, que poderá ser de mica, vidro ou cerâmica. Esse conjunto é isolado e encapsulado em vidro ou cerâmica, tornando a resistência assim constituída isolada do meio ambiente. O termo – elemento pode ser protegido por uma fina capa metálica e será utilizado dentro do poço de proteção.

ENROLAMENTO DE PLATINA VIDRO, QUARTZO OU CERÂMICA

TERMINAIS DE PRATA OU COBRE

ENROLAMENTO DE NÍQUEL

CARRETEL DE MICA, CELERON

Figura 5 – Tipos de Construção

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As extremidades dos fios de resistência são soldados em fios de prata ou cobre que, por sua vez, vão ter a um bloco terminal existente no cabeçote do poço de proteção. Em casos especiais são fabricados termo resistências duplas no mesmo conjunto, seja para maior segurança ou para acionar simultaneamente dois ou mais dispositivos de medição e/ou controle. No caso de baixas temperaturas melhora-se a condução de calor do poço para a termo -resistência pressurizando-se o mesmo com um gás bom condutor de calor (hélio). Simultaneamente, esta prática protege os dispositivos contra condensações internas que poderiam afetar a resistência da sonda. Exatidão A exatidão dos termômetros de resistência, quando corretamente instalados, é grande, podendo atingir ± 0,01°C. Normalmente as sondas utilizadas industrialmente apresentam uma precisão de ± 0,5ºC. No Brasil usa-se, normalmente, a norma DIN-IEC 751/85, que estabelece para termômetros de resistência de platina o valor de 100,00Ω a 0°C e de 138,50Ω a 100°C. Tempo de Resposta, Padronização das Termoresistências O tempo de resposta depende, como em todos os tipos de termômetro já citados, da massa do poço de proteção, da transmissão de calor entre o fluido e o poço e entre o poço e a termo resistência e da própria temperatura medida.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10

LÍQUIDO

AR

%

TEMPO(MIN)1 2 3

Figura 6 – Tempo de Resposta

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Outros valores de resistência utilizados são: • Platina - 50Ω a 0ºC, 10Ω a 0°C. • Níquel - 100Ω a 0°C, 120Ω a 0°C, 300Ω 0°C (muito variável). • Cobre - 10Ω à 0°C, 25Ω a 20°C. Princípio de Medição Básico A medição de temperatura por meio de termoresistência consiste em se medir a resistência do sensor e em traduzi-la em uma escala de temperatura. Teoricamente, o circuito apresentado na figura abaixo proporcionaria as indicações de temperatura procuradas na termoresistência Rx medindo-se a corrente (i) que circula no circuito e medindo-se Rx através da lei de Ohm.

Figura 7 – Circuito Elementar

Circuito Elementar para Medição de Rx

r - iE =Rx

Onde: Rx = resistência do sensor de temperatura. r = resistência do circuito. E = bateria de alimentação. Conhecendo-se o valor de Rx, pode-se, baseado na equação do circuito acima, calibrar o miliamperímetro em valores de temperatura. Embora tecnicamente correto, este circuito não é usado na prática, pois apresenta uma série de inconvenientes, tais como:

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• A corrente no circuito depende das resistências associadas (fios de ligação, miliamperímetro, fonte). • A corrente no circuito depende da tensão de alimentação (E). • A escala não seria linear. Tipos de Circuito de Medição Utilizados Podemos classificar os medidores nos seguintes tipos: 1. Circuito em ponte. 2. Circuito elementar com bobina de compensação (sistema de galvanômetro a bobinas cruzadas). Circuito em Ponte

O circuito de medição em ponte é o mais utilizado na medição de resistência e, conseqüentemente, na medição de temperatura. Existem dois tipos principais: 1º Tipo: Medição por ponte não equilibrada A ponte de medição mais utilizada é a de Wheatstone, como mostra a figura abaixo:

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G

B

A

R1

R2 R3

R4

RE

E

+

-

Figura 8 - Ponte de Wheatstone

O equilíbrio da ponte é atingido quando R1 . R3 = R2 . R4 . Conhecendo-se R3 podemos deduzir o valor de R4 , isto é, o seu valor Ôhmico. R1 . R3 = R2 . R4 (se R1= R2). R3 = R4 Ligação a dois fios

As resistências RL são resistências de fiação e ambas estão em série com R4. A resistência aumenta quando a distância do sensor até o instrumento e a temperatura forem maiores e a bitola do fio, menor. R1 . R3 = R2 . (RL + RL + R4)

G

B

A

R1

R2 R2

R4

RE

E

+

-

RL

RL

Figura 9 – Ligação a dois fios

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R3 = RL +. RL + R4 RL +. RL, dependendo de seus valores, podem induzir a graves erros em medições de temperatura com termoresistências. Ligação a três fios

Quando a ligação entre a termoresistência e o instrumento for grande usa-se o sistema de ligação compensado com três fios I (Sistema SIEMENS), como mostra a figura a seguir.

GC

B

D

A

R1

R2 R3

R4

RA

E

+

-

RL

RL

RL

Figura 10 – Ligação a três fios

É o método mais utilizado nas indústrias. Esta configuração faz com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor. R1 . (R3 + RL )= R2 . (R4 + RL) R1 = R2 Como os fios de ligação são do mesmo tipo possuem o mesmo comprimento e diâmetro e estão na mesma temperatura. Então: RL=RL R3 = R4

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Conhecendo o valor de R3 tem-se o valor do sensor. Conseqüentemente, consultando a tabela obtemos a temperatura. O terceiro fio atua somente como condutor de compensação, não influenciando nos cálculos de medição da resistência. A integridade da medição de uma ligação de três fios pode ser mantida somente se a ponte for balanceada. Ligação a quatro fios

VSENSOR

CONDUTORES DE TENSÃO CONDUTORES

DE CORRENTE

FONTE DE CORRENTE

Figura 11 – Ligação a quatro fios

Esta ligação é utilizada em medições de laboratório e, esporadicamente, na indústria, pois requer 2 medições e um cálculo para o resultado. Termistores É o nome dado a elementos semicondutores, normalmente óxidos metálicos aglutinados a alta temperatura. As características principais dos termistores são: • Alta resistividade, possibilitando a construção de elementos de massa diminuta. • Elevado coeficiente de variação de resistência, possibilitando a construção de termômetros com faixa de utilização bastante estreita.

Nota: O coeficiente de variação de resistência dos termistores alcança, normalmente, 8 a 10 vezes o valor dos metais comuns. - Sua robustez e durabilidade são, praticamente, ilimitadas. A relação matemática entre a temperatura e a resistência é dada pela fórmula: R = a . eb/t Onde: R = é a resistência à temperatura t. a e b = são parâmetros característicos de cada termistor.

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e = base dos logaritmos neperianos (e=2,718) t = temperatura absoluta (K). Desta equação podemos concluir que: 1. O coeficiente de resistência do termistor é negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento de temperatura, como mostra a fig. 12.

20

40

60

80

100

C

RESISTÊNCIA KΩ15 30

120

140

70

o

Figura 12 - Curva R x T de um Termistor (FENWALL K 1382)

2. A relação entre a temperatura e as resistências não é linear e sim logarítmica. A faixa de utilização dos termistores está usualmente entre -80 e 700°C. Sua aplicação mais notável é no controle de temperatura de ambientes aquecidos por resistências elétricas. A câmara de análise de um analisador, por exemplo, devido a sua alta sensibilidade e pequena inércia térmica pode comandar o circuito de aquecimento e manter a temperatura dentro de uma faixa de ± 0,02°C. A figura a seguir mostra algumas formas típicas de termistores.

Figura 13 – Tipos de termistores

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Medição de Temperatura por Termopares Efeitos Termoelétricos A aplicação de par termoelétrico (termopares) na medição de temperatura está baseada em diversos fenômenos descobertos e estudados por SEEBECK, PELTIER, VOLTA e THOMSON. “ A lei não é, necessariamente, uma expressão de verdade infalível, mas simplesmente uma generalização das observações experimentais.” Hipótese: - explica, através de modelos, uma ou mais leis, sendo possível relacioná-las. Experiência de SEEBECK Em 1821 o físico alemão J. T. SEEBECK descobriu o efeito termoelétrico. Sua aplicação na medição de temperatura foi introduzida pelo físico francês BECQUEREL. A experiência de SEEBECK (figura 14) demonstrou que se colocarmos os dois pontos de junção em temperaturas diferentes num circuito fechado por dois fios de metais diferentes cria-se uma corrente elétrica cuja intensidade é determinada pela natureza dos dois metais utilizados e pela diferença de temperatura entre as duas junções. Na experiência, SEEBECK utilizou uma lâmina de antimônio (A) e outra de bismuto (B); como detetor da corrente "i" utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente.

S N

A

B

V2

T2

V1

T1

Figura 14 – Experiência Seebeck

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Experiência de PELTIER Em 1834 o físico francês J. C. PELTIER, baseado na experiência de SEEBECK, mostrou que fazendo-se passar uma corrente elétrica por um par termoelétrico uma das junções se aquece, enquanto a outra se resfria. Na figura 15 as duas ampolas interligadas funcionam como um termômetro diferencial. A junta da esquerda aquece, enquanto a outra esfria.

BA A

i h

Figura 15 – Experiência de Peltier

Efeito Volta A experiência de PELTIER pode ser aplicada através do efeito VOLTA, enunciado a seguir: "Quando dois metais estão em contato e em equilíbrio térmico e elétrico existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser de ordem de volt". Essa diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente. Efeito Thomson Em 1851 o físico inglês Sir W. Thomson (Lord Kelvin) mostrou que se colocarmos as extremidades de um condutor homogêneo em temperaturas diferentes uma força eletromotriz aparecerá entre essas extremidades, a chamada F.E.M. THOMSON. Esta F.E.M. depende do material e da diferença da temperatura e não pode ser medida diretamente.

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

A T2T1

V

Figura 16 – Efeito Thomson

Leis da Termoeletricidade a) Lei do Circuito Homogêneo Em um circuito de um só condutor homogêneo não se estabelece nenhuma corrente elétrica, mesmo com trechos a diferentes temperaturas. A soma algébrica da F.E.M. VOLTA e THOMSON é nula. Conseqüência: A F.E.M. desenvolvida por um par termoelétrico tendo duas junções em temperaturas diferentes não depende do gradiente da temperatura ou da distribuição de temperatura ao longo dos fios. As únicas temperaturas relacionadas com a F.E.M. são as das duas junções (Junta Fria e Junta Quente). Todas as temperaturas intermediárias não interferem na F.E.M. resultante.

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

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B(-)

T3T1

T3T1 T2

A(+)

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

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

A(+)

A(+)

B(-) B(-)

Figura 17 – Lei das temperaturas Intermediárias

E1 = ET1 - ET2

E2 = ET2 - ET3

E3 = ET1 - ET3

Se somarmos E1 + E2 temos: E1 + E2 = ET1 - ET2 + ET2 - ET3 = ET1 - ET3 E1 + E2 = ET1 - ET3 = E3 Portanto: E3 = E1 + E2 Consequência: 1º) Se a F.E.M. de vários metais versus um metal de referência, por exemplo, platina, é conhecida, então a F.E.M. de qualquer combinação de metais pode ser obtida por uma soma algébrica. 2º) A temperatura da junta de referência pode estar em qualquer valor conveniente; a temperatura da junta de medição pode ser encontrada por simples diferença baseando-se em uma tabela relacionada a uma temperatura padrão como, por exemplo 0°C, 20°C. c) Lei do Metal Intermediário A soma algébrica da F.E.M. em um circuito composto de um certo número de metais diferentes é ZERO se todo o circuito estiver em uma só temperatura.

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A

B

T2T1

CT3 T3

Figura 18 – Lei do metal Intermediário

De outra maneira: “A Fem E do termopar não será afetada se em qualquer ponto de seu circuito for inserido um metal qualquer diferente do já existente desde que as novas junções sejam mantidas em temperaturas iguais.” Conseqüência: Em virtude dessa lei pode-se inserir o instrumento de medição da F.E.M. (Voltímetro) com seu fios de ligação em qualquer ponto do circuito termoelétrico sem alterar a F.E.M. original.

A

B

T1mV

A

B

METALINTERMEDIÁRIO

Figura 19 – Inserção do medidor de FEM ( Voltímetro )

Junta de Referência ou Junta Fria (Compensação da Junta Fria) Como já foi visto, a F.E.M. desenvolvida em par termoelétrico é função da diferença de temperatura entre as duas junções. Dessa maneira, o termopar não mede a temperatura real na junção de medição e sim a diferença entre essa junção (medição) e a outra tomada como referência. Para se obter a temperatura real é preciso conhecer exatamente a temperatura da junta de referência e procurar mantê-la constante a fim de facilitar as leituras posteriores.

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Existem alguns métodos para se manter a temperatura da junta de referência: 1) Introduzindo-se a junta de referência em recipiente com gelo e água em equilíbrio, onde a temperatura é constante e próxima a 0°C .Como as tabelas de F.E.M. fornecidas normalmente são referidas a 0°C esse método é bastante cômodo, pois possibilita a leitura direta da temperatura na tabela conhecendo-se apenas a F.E.M. gerada no circuito. Esse processo é utilizado em laboratório ou na indústria somente em casos especiais. Evidentemente não é muito prático quando se necessita supervisionar a temperatura desejada por tempo bastante prolongado devido à necessidade da reposição contínua do gelo na junta de referência.

A(+)

B(-)T1

ÁGUA + GELO0 Co

COBRE/COBRE

T r =0 Co

EAB

EAB = E - ET1 Tr

EAB = E - 0T1

EAB= E T1

Figura 20 - Junta de Referência a 0°C

2) Mantendo-se a junta de referência em um ambiente aquecido onde a temperatura é controlada por um sistema termostático. Este método possui a vantagem de ser prático, porém tem precisão inferior ao método precedente, salvo em raras exceções. Evidentemente a F.E.M., neste processo, é inferior ao sistema de junta de referência a 0°C tendo em vista que a temperatura, neste caso, é de cerca de 60°C, devendo-se dar a devida correção no caso de usar a tabela com a junta de referência em outra temperatura (0°C ou 20°C). Hoje disposiivos alternativos foram desenvolvidos para simular automaticamente uma temperatura de zero grau, chamada de compensação automática da junta de referência, ou, temperatura ambiente. Nesses instrumentos encontra-se um sensor de temperatura que pode ser um resistor, uma termoresistência, um termistor, um diodo, um transistor ou um mesmo circuito integrado que mede continuamente a temperatura ambiente e suas

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variações, adicionando ao sinal que chega do termosensor uma mV correspondente à diferença da temperatura ambiente para a temperatura de 0°C. Exemplo de compensação

A(+)

B(-)

T1mVE

25 Co100 Co

E 1

TERMOPAR TIPO K A 100 C JUNTA DE MEDIÇÃO 25 C

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

o o

Figura 21 – Exemplo de compensação

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

No instrumento medidor está incorporado um sistema de compensação de temperatura ambiente; este gera um sinal como se fosse um outro termopar. E1 = E25-E0 E1 = 1,000mV (sinal gerado pelo circuito de compensação) O sinal total que será convertido em temperatura pelo instrumento será a somatória do sinal do termopar e da compensação, resultando na indicação correta da temperatura à qual o termopar está submetido (independendo da variação da temperatura ambiente). Etotal = E - E1 Etotal = 3,095 + 1,000 = 4,095mV Etotal = 4,095mV A indicação depois da compensação será de 100°C. Termopares - Tipos e Qualidades Requeridas Tipos de Termopar Apesar de, em princípio, qualquer par de metais poder ser utilizado na construção de termopares, existem alguns tipos já padronizados na indústria, a saber:

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Tipo T - Termopar de Cobre Constantan Composição: Cobre(+) / Cobre-Níquel(-) O fio negativo Cobre-Níquel é conhecido comercialmente como Constantan. Características: Resistente à corrosão em atmosferas úmidas e adequado para medições de temperaturas abaixo de zero. É resistente a atmosferas oxidantes (com excesso de Oxigênio), redutoras (ricas em Hidrogênio, monóxido de Carbono) e inertes(neutras), na faixa de -200 a 350°C.

Faixa de trabalho: -200 a 350°C. Aplicação: É adequado para trabalhar em faixas de temperatura abaixo de 0°C, encontradas em sistemas de refrigeração, fábricas de O2, etc.. Identificação da polaridade: O Cobre (+) é avermelhado e o Cobre/Níquel (-) não.

Tipo J - Termopar de Ferro – Constantan Composição: Ferro(+) / Cobre-Níquel(-) O fio negativo Cobre-Níquel também é conhecido comercialmente como Constantan. Características: É adequado para uso no vácuo,atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. Acima de 540°C a taxa de oxidação do ferro é rápida e recomenda-se o uso de tubo de proteção para prolongar a vida útil do elemento. Embora possa trabalhar em temperaturas abaixo de 0°C deve-se evitar que isso ocorra quando houver possibilidade de condensação, que corrói o ferro e possibilita a quebra do fio. Não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (que contêm enxofre) acima de 540°C. O uso em temperaturas abaixo de zero não é recomendado devido à rápida oxidação e quebra do elemento de ferro, tornando seu uso em temperaturas negativas menor que o do tipo T. Devido à dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza o tipo J tem baixo custo e é o mais utilizado industrialmente.

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Aplicação: Indústrias em geral até 750°C. Identificação da polaridade: O Ferro (+) é magnético e o Cobre (-) não. Tipo E - Termopar de Cromel Constantan Composição: Níquel-Cromo (+)/Cobre-Níquel (-) O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo, de Cobre Níquel, como Constantan. Características: Pode ser utilizado em atmosferas oxidantes e inertes. Não deve ser utilizado em atmosferas redutoras, alternadamente oxidantes e redutoras e no vácuo pois perde suas características termoelétricas. É adequado para o uso em temperaturas abaixo de zero desde que não sujeito a corrosão em atmosferas úmidas. Apresenta maior geração mV/°C (potência termoelétrica) do que todos os outros termopares, tornando-se útil na detecção de pequenas alterações de temperatura. Aplicação: Uso geral até 900°C. Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) é mais duro que o Cobre-Níquel (-). Tipo K - Termopar de Cromel Alumel Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo Cromo-Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.

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Características: É recomendado para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua resistência à oxidação é melhor que os tipos T, J, E e, por isso, largamente usado em temperaturas acima de 540°C. Ocasionalmente pode ser usado em temperaturas abaixo de zero grau. Não deve ser utilizado em: 1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidantes e redutoras. 2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios, causando rapidamente ferrugem e quebra dos elementos. 3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar-se, causando erro no sinal do sensor (descalibração). 4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root (oxidação verde) ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio como, por exemplo, dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outra opção é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo daquele que proporcionaria corrosão. Isso é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter”, ou elemento que absorva oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser, por exemplo, uma pequena barra de titânio. Aplicação: É o mais utiliizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação (até 1200°C). Identificação da polaridade: O Níquel-Cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) é levemente magnético. Tipo N Nicrosil – Nisil Composição: Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício 0,1%-Magnésio (-)

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Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente estando, inclusive, normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST(Antigo NBS- National Bureau of Standards) e ABNT. Está se apresentando como substituto do termopar tipo K, de -200 a 1200°C. Possui potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém maior estabilidade, excelente resistência à corrosão e maior vida útil. Resiste, também, ao “green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo. Tipo S Platina Ródio-Platina Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-) Tipo R Platina Ródio-Platina Composição: Platina 97% - Ródio 13% (+) / Platina (-) Características: É recomendado para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de grão, podendo resultar em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio) e tornar os fios susceptíveis à contaminação, causando redução da F.E.M. gerada. Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos esses efeitos tendem a causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor. Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou com vapores metálicos, a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina ou tubo de proteção de Platina (tubete) que, por ser do mesmo material, não contamina os fios e dá a proteção necessária aos elementos. Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas, sendo utilizados como sensores padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na diferença da potência termoelétrica. O tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S.

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Aplicação: Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigida grande precisão como indústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc. Identificação da polaridade: Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-). Tipo B - Platina-Ródio / Platina-Ródio Composição: Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-) Características: Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes; é também adequado para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem nas que contêm vapores metálicos, requerendo tubos de proteção cerâmicos (tipo R e S). O tipo B possui maior resistência mecânica. Sua potência termoelétrica é baixíssima; em temperaturas de até 50°C o sinal é quase nulo. Não necessita de cabo compensado para sua interligação. São utilizados cabos comuns de cobre (até 50°C). Aplicação: Utilizado em indústrias onde o processo exige altas temperaturas. Identificação da polaridade: Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 6% (-). Termopares novos

Com o desenvolvimento de novos processos industriais ao longo do tempo, outros termopares foram desenvolvidos para atender condições que os tipos vistos até agora não atendiam. Muitos desses termopares ainda não estão normalizados e também não são encontrados no Brasil.

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Platina 60%-Ródio 40% (+) / Platina 80%-Ródio 20% (-)

Para uso contínuo até 1800 1850°C, substituindo o tipo B. Não é recomendado para atmosferas redutoras. Irídio 60%-Ródio 40% (+)/ Irídio(-)

Pode ser usado até 2000°C em atmosferas inertes ou no vácuo; não é recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes. Platinel 1 - Paládio 83%-Platina 14%-Ouro 3% (+) / Ouro 65%-Paládio 35% (-).

Aproxima-se do tipo K, atuando na faixa de até 1250ºC. Sua composição é apenas de metais nobres, apresentando excelente estabilidade em atmosferas oxidantes, mas não em atmosferas redutoras ou vácuo. Tungstênio 95%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74%-Rhênio 26% (-)

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

Tipo G (não oficial) Tungstênio 97%-Rhênio 5% (+) / Tungstênio 75%-Rhênio 25% (-)

Tipo D (não oficial) Níquel-Cromo (+) / Ouro-Ferro (-)

Usado em temperaturas criogênicas de -268°C até 15°C Outros tipos de termopares Tungstênio - Molibidênio.

Faixa de temperatura 0 a 2000°C. Tungstênio - Iridium.

Faixa de temperatura 0 a 200°C. Grafite - Carbureto de Boro.

Faixa de temperatura 0 a 2500°C.

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Principais Qualidades Requeridas de um Termopar

Para corresponder às exigências de um serviço tipo industrial os termopares devem possuir as seguintes características: a) Desenvolver uma F.E.M. a maior possível, função contínua da temperatura de maneira a ser possível utilizar instrumentos de indicação de temperatura de construção simples e robusta. A faixa de F.E.M. normalmente fornecida nas temperaturas de trabalho normal vai de 10 a 50mV. b) Precisão de calibração (intercambialidade). Um termopar deve ser capaz de ser calibrado com um padrão de F.E.M. versus temperatura e deve manter essa calibração por um longo período de tempo sem desvios. Os termopares são construídos para trabalhar em conjunto com instrumentos tendo cartas e escalas pré calibradas. A intercambialidade entre dois termopares do mesmo material é a principal razão do seu uso em grande escala na indústria. c) Resistência à corrosão e oxidação (durabilidade). Um termopar deve ser física e quimicamente resistente, de maneira a possuir longa vida e, mais ainda, exibindo a propriedade para uma dada temperatura gerar uma F.E.M. constante. d) Relação linear F.E.M. versus temperatura (linearidade). É interessante possuir uma relação F.E.M. versus temperatura o mais linear possível devido aos seguintes motivos: • Facilidade de construção e leitura de escalas e gráficos. • Facilidade de construção de dispositivos de compensação de junta de referência. • Adequação do uso em indicadores digitais. Termopares de classe especial Existem duas classes de precisão para termopares, a standard, que é a mais comum e utilizada, e a especial, também chamada de “Premium Grade”. Esses termopares são fornecidos na forma de pares casados, isto é, com características de ligas com graus de pureza superiores ao standard. Existe também um trabalho laboratorial para adequação de lotes de fios obtendo-se, com isso, melhor precisão na medição de temperatura.

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Preparação e Soldagem de Termopares – Montagem Apesar da utilização de diferentes sistemas para realização de um bom contato elétrico na junção quente de um termopar, a soldagem é mais eficiente, pois assegura uma ligação perfeita dos fios por fusão dos metais sobre uma pequena profundidade. O processo soldagem criar heterogeneidade. É preciso, contudo, garantir que a precisão final do termopar não seja afetada por essa heterogeneidade mantendo-a em uma zona uniforme de temperaturas. Preparação dos Fios

Os fios do termopar são, geralmente, fornecidos em bobinas. Deve-se endireitá-los cuidadosamente a mão, evitando-se qualquer torção ou flexão exagerada, a qual poderia afetar a estrutura do material com conseqüente modificação na sua F.E.M.. Após cortar os pedaços destinados à soldagem, lembrando a necessidade de se deixar um pequeno excesso caso haja imprevistos, deve-se proceder a limpeza das pontas a serem unidas. A seguir preparam-se as mesmas, conforme a figura abaixo, em uma das três opções.

x

x

x x

a)

b)

c)

ou

ISOLADOR DE CERÂMICA

Figura 22 – Preparação dos fios

No caso a mantém-se o fio duro reto, enquanto se dobra o macio. No caso b dobram-se os dois fios. No caso c o fio macio é torcido sobre o fio duro cerca de 3 voltas. Nos três casos é importante manter a distância "x" entre os dois fios, visando a posterior colocação dos isoladores. O tipo de ligação c é o mais adequado para fios de grande bitola pois dá bastante resistência, apesar de aumentar a marca térmica da junção.

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Soldagem

Soldagem do Ferro Constantan Para se soldarem os fios de ferro e o de constantan emprega-se uma chama oxi-acetilênica com o bico apropriado, de acordo com a bitola de fio a soldar. Regula-se o bico para se obter uma chama neutra e colocam-se os dois fios passando, então, um pouco de bórax na junção. Volta-se a aquecer as duas extremidades até a sua fusão. É interessante sempre dirigir a chama para o material de mais alto ponto de fusão, no caso, o ferro. Tira-se, então, o bórax excedente e procede-se a inspeção da solda. O uso da chama redutora provoca a carburação, o que torna a solda fraca. Soldagem do Cromel-Alumel Procede-se da mesma maneira que para o ferro constantan, utilizando-se uma chama neutra ou ligeiramente oxidante. Dirige-se a chama na direção do Cromel, que é o metal de maior ponto de fusão. Soldagem de Platina-Rodiana - Platina Para a soldagem dos fios de platina-rodiana e platina usa-se chama oxi-hidrogênio ou oxigênio GLP. Todavia, tendo em vista que os fios são geralmente finos, usa-se também a soldagem a arco elétrico. O método de soldagem a arco consiste fundamentalmente em se estabelecer um arco elétrico entre um eletrodo de carbono e a junta a ser soldada, como outro eletrodo. Coloca-se a junta em contato com o eletrodo e a seguir afasta-se a mesma vagarosamente, dando-se início ao arco que deverá fundir os metais. A experiência mostra que os fios a serem soldados deverão constituir o elétrodo positivo a fim de evitar a contaminação dos mesmos por partículas de carbono. Nota: Os fios de ferro constantan e de cromel-alumel de pequeno diâmetro podem ser soldados a arco elétrico. Se forem soldados a maçarico escolhe-se um bico de pequeno diâmetro (0,4mm) a fim de retardar sua fusão. Finalmente, é bom lembrar que qualquer que seja a natureza dos fios a serem soldados deve-se evitar um aquecimento muito prolongado, o que poderia acarretar uma modificação na estrutura molecular das duas ligas, deixando-as quebradiças, particularmente o alumel.

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Montagem dos Termopares

Após a soldagem dos dois fios eles são isolados entre si por meio de pequenos tubos ou, melhor ainda, por meio de isoladores com dois furos (miçangas). O material dos isoladores é normalmente cerâmica, porcelana, quartzo, etc (fig. 23). Esse conjunto é, então, protegido por um ou mais tubos concêntricos apropriados a cada aplicação. A parte superior é ligada a um bloco de terminais de abonite ou de cerâmica instalado dentro de um cabeçote de ligação.

Figura 23 – Termopar montado em miçanga

JUNTA DEMEDIÇÃO TUBO DE

PROTEÇÃO

ISOLADORCERÂMICO

CABEÇOTEDE LIGAÇÃO

BLOCO DETERMINAIS

TAMPA

Figura 24 – Termopar montado em cabeçote

Termopares com Isolação Mineral O desenvolvimento dos termopares com isolação mineral partiu da necessidade de se satisfazerem as severas exigências do setor nuclear. Desde então, os benefícios desse trabalho puderam ser transmitidos à indústria em geral, que os utiliza numa grande

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variedade de aplicações devido à série de vantagens que oferecem, tais como grande estabilidade e resistência mecânica, entre outras. O termopar de isolação mineral consiste em um ou mais pares de fios isolados entre si por um material cerâmico compactado em um bainha metálica externa. Esse tipo de montagem é de extrema utilidade pois os fios ficam completamente isolados dos ambientes agressivos, os quais podem causar a completa deterioração dos termoelementos, além de proporcionar grande resistência mecânica, o que faz com que o termopar de isolação mineral possa ser usado em um número quase infinito de aplicações. Construção do cabo com isolação mineral

O processo de fabricação dos termopares com isolação mineral começa com os termoelementos de diâmetros definidos inseridos num tubo metálico e isolados entre si e o tubo por um material cerâmico (pó de óxido de magnésio). Através de um processo mecânico de estiramento (trefilação) o tubo e os termoelementos são reduzidos em seus diâmetros (aumentando seu comprimento). O óxido de magnésio fica altamente compactado, isolando e posicionando os fios em relação à bainha metálica.

ISOLAÇÃOMINERAL

BAINHAMETÁLICA

BAINHAMETÁLICA

Figura 25 – Desenho em corte termopar com isolação mineral

O óxido de magnésio é um excelente isolante elétrico e um bom condutor térmico, de maneira que quando compactado ocupa todos os espaços internos, isolando eletricamente os fios entre si e a bainha; além de dar alta resistência mecânica ao conjunto, proporciona boa troca térmica. Como esse processo de trefilação ou estiramento (redução do diâmetro e aumento proporcionalmente do comprimento) cria tensões moleculares intensas no material, torna-se necessário tratar termicamente o conjunto.

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O tratamento térmico alivia essas tensões e recoloca o termopar em sua curva característica obtendo-se, assim, um produto final na forma de cabos compactados muito reduzidos em seus diâmetros (desde 0,5 mm até 8,0 mm de diâmetro externo), porém mantendo-se proporcionalmente as dimensões e isolação da forma primitiva. Além do óxido de magnésio usa-se também como material isolante a alumina, o óxido de berílio e o óxido de tório, porém o óxido de magnésio é mais barato, compatível com os termoelementos e mais comum de ser encontrado. Uma grande atenção deve ser tomada com a pureza química e metalúrgica dos componentes envolvidos na fabricação do termopar de isolação mineral. Isolação Elétrica do Cabo do Termopar de Isolação Mineral

Devido à tendência natural do óxido de magnésio absorver umidade (ser higroscópico) e outras substâncias que podem vir a contaminar os termoelementos, uma isolação elétrica mínima admitida entre os condutores e bainha é de, no mínimo, 100mΩ em temperatura ambiente (20°C). Várias precauções devem ser mantidas para a fabricação do termopar de isolação mineral, tais como: - Não deixar o cabo aberto exposto no ambiente por mais de 1 minuto. Imediatamente selar a ponta aberta com resina depois de aquecê-la para retirar a umidade. - O armazenamento deve ser em local aquecido e seco (aproximadamente 38°C e

25% de umidade relativa do ar). Vantagens do Termopar com Isolação Mineral

Estabilidade na F.E.M. Esta estabilidade é caracterizada pelos condutores estarem totalmente protegidos de ambientes agressivos, os quais normalmente causam oxidação e envelhecimento dos termopares. Resposta Rápida O pequeno volume e a alta condutividade térmica do óxido de magnésio promovem uma rápida transferência de calor, superior aos termopares com montagem convencional.

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Grande Resistência Mecânica e Flexibilidade A alta compactação do óxido de magnésio dentro da bainha metálica, mantendo os termoelementos uniformemente posicionados, permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido ou estirado, suportando pressões externas e "choques térmicos" sem quaisquer perdas de suas propriedades termoelétricas. Facilidade de Instalação A dimensão reduzida, a grande maleabilidade e a alta resistência mecânica do cabo de isolação mineral asseguram facilidade de instalação mesmo em locais de difícil acesso. Resistência a Corrosão Os termopares de isolação mineral são disponíveis com diversos tipos de capas metálicas para garantir sua integridade em qualquer tipo de ambiente corrosivo, qualquer que seja o termopar. Resistência de Isolação (a frio) A resistência de isolação entre condutores e bainha é sempre superior a 100MW (a 20°C) qualquer que seja o diâmetro, em qualquer tipo de ambiente corrosivo e em qualquer condição de umidade. Valores segundo norma ASTM E-608/84. Blindagem Eletrostática A bainha metálica devidamente aterrada oferece excelente blindagem contra interferências eletrostáticas (ruídos). Características Técnicas Para a perfeita seleção de um termopar de isolação mineral devem ser levados em consideração todas as possíveis características e normas exigidas pelo processo.

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Tipos e Números de Sensores

Os termopares de isolação mineral podem ser dos tipos T, E, J e K. Podem ser simples (1 par de fios), duplos (2 pares de fios) ou mesmo triplos (6 termoelementos dentro de uma única bainha). Obs: Existem termopares com isolação mineral de platina dos tipos S, R e B. Sua isolação pode ser de óxido de magnésio, óxido de berílio ou alumina. O material da bainha pode ser molibidênio, tântalo ou titânio. A escolha vai depender da temperatura e do meio em que for colocado o termopar, mas sua aplicação é muito pequena. Características da Bainha Metálica A escolha do material da bainha é fundamental para a vida útil do termopar com isolação mineral, pois se a bainha resistir às condições do ambiente agressivo o termoelemento também resistirá. Tipos de junções de Medições Podemos classificar os termopares de isolação mineral quanto à posição da junção de medição em relação à bainha metálica em três tipos: a) Junção Exposta: parte da bainha e da isolação são removidos, expondo os termoelementos ao ambiente. Esta montagem tem como características um tempo de resposta extremamente pequeno e grande sensibilidade a pequenas variações na temperatura, mas apresenta como desvantagem: o rápido envelhecimento dos termoelementos devido ao contato com o ambiente agressivo e com altas temperaturas e pressões. b) Junção Aterrada: os termoelementos e a bainha são soldados juntos para formar a junção de medição. Assim, os fios são aterrados na bainha. Este tipo de montagem apresenta um tempo de resposta um pouco maior que o da junção exposta, mas ainda assim menor que o da junção isolada; pode ser usado em ambientes agressivos devido à isolação dos termoelementos. Não é recomendável para ambientes ruidosos devido à captação de ruídos, podendo transmiti-los para o instrumento indicador e gerando erros e instabilidade na leitura. c) Junção Isolada: a junção de medição é isolada eletricamente da bainha. Este tipo de montagem é o mais utilizado. Suas características são: Tempo de resposta maior que o das montagens anteriores

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Termoelementos totalmente protegidos do meio externo, o que lhes garante maior vida útil. Podem ser usados em ambientes sujeitos a campos elétricos, pois sendo isolados da bainha ficam mais imunes a interferências eletrostáticas. Aplicações do Termopar de Isolação Mineral

As vantagens dos termopares de isolação mineral permitem sua utilização em um número ilimitado de processos seja na indústria cerâmica, de ferro e aço, química e petroquímica, de papel e celulose, alimentícia, de cimento, de vidro, de eletricidade, automotiva, de eletrodomésticos, nuclear, aeronáutica, têxtil e muitas outras. O termopar de isolação mineral também se aplica em laboratórios de pesquisas experimentais para estudos em arco plasma, feixe de elétrons, laser e outros experimentos físicos. Proteção, Envelhecimento e Controle de Termopares Proteção dos Termopares Tubo de proteção Sua principal função é proteger os termopares do ambiente de trabalho, aumentando sua durabilidade. Não são indicados para áreas onde se necessita de vedação. Para especificar um tubo é necessário levar em consideração todas as condições de uso do termopar,como temperatura, atmosfera do processo, resistência mecânica, pressão, tipos de fluido em contato, velocidade de resposta, etc. Os termopares devem ser protegidos em processos onde se utilizem metais (sólido, líquido e vapor), gases de combustão (enxofre, óxidos metálicos), eletrólitos e outras diversas substâncias que causam a degradação e perda da calibração do sensor. Os tubos de proteção estão divididos em metálicos e cerâmicos. Tubos metálicos: (com ou sem costura) O tubo com costura é feito de uma chapa enrolada e soldada longitudinalmente (costurada), depois polida para dar acabamento final. Os tubos sem costura são construídos através de processo mecânico (extrudados) ficando sem soldas em sua extensão. A conexão do tubo pode ser por rosca, flange ou mesmo solda, lembrando que o tubo de proteção não é designado para dar estanqueidade (vedação) ao processo e sim

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proteção ao elemento sensor. Os materiais mais utilizados nos tubos são: ferro fundido, aço carbono, aço inoxidável (304, 310, 316, 321), aço cromo 446, alloy 600, hastelloy e monel, entre outros. Características dos materiais de proteção metálicos Aço carbono Temperatura máxima de utilização: 550°C. Aplicação: uso geral; resistência à corrosão limitada; não pode ser usado em ambientes redutores e oxidantes continuamente. Aço inox 304 Temperatura máxima de utilização: 900°C. Aplicação: É largamente usado como material de proteção em baixas temperaturas; é resistente à corrosão e não recomendável para uso em atmosferas sulfurosas ou com chamas redutoras. Aço inox 310 Temperatura máxima de utilização: 1100°C. Aplicação: Tem elevada resistência à corrosão em altas temperaturas e boa resistência em ambientes redutores, sulfurosos e carbonizantes. Sua resitência mecânica é superior à do 304. Aço inox 316 Temperatura máxima de utilização: 900°C. Aplicação: Melhor resistência ao calor, álcalis e ácidos que o 304. Pode ser usado na presença de componentes sulfúricos. Aço cromo 446 Temperatura máxima de utilização: 1100°C. Aplicação: Excelente resistência à corrosão e oxidação em atmosferas sullfurosas e em aplicações que envolvam altas temperaturas. Boa resistência a ácido nítrico, sulfúrico e à maioria dos álcalis.

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Alloy 600 Temperatura máxima de utilização: 1150°C. Aplicação: Excelente em ambientes corrosivos sujeitos a altas temperaturas. Possui excelente resistência mecânica. Não é aplicável em atmosferas contendo enxofre. Alloy 800 Temperatura máxima de utilização: 1090°C. Aplicação: Boa resistência a oxidação, carbonização e outros efeitos prejudiciais da exposição a altas temperaturas. Nióbio Temperatura máxima de utilização: 2000°C em atmosfera neutra ou vácuo. Aplicação: Boa resistência a corrosão por metais líquidos (até 1000°C). Tântalo Temperatura máxima de utilização: 2200°C em gás inerte ou vácuo. Aplicação: Excelente resistência a muitos ácidos em temperatura ambiente. Titânio Temperatura máxima de utilização: 1000°C em atmosfera redutora e 250°C em atmosfera oxidante. Aplicação: Boa resistência à oxidação e a ataques químicos. Ferro preto: Temperatura máxima de utilização: 800°C Aplicação: Utilizado em recozimento, têmpera e banho de sal. Nodular perlítico Temperatura máxima de utilização: 900°C. Aplicação: Ideal para metais não ferrosos tipo Alumínio, Zinco, etc.

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Tubete de platina Temperatura máxima de utilização: 1840°C. Aplicação: Único material capaz de operar em atmosferas oxidantes acima de 1260°C por longos períodos. Normalmente usado com termopares tipo S, R e B. Sua aplicação principal se dá em indústrias de vidro, cerâmica ou onde se trabalhe com altas temperaturas. Tubos de proteção cerâmicos

São utilizados normalmente em processos que envolvem temperaturas superiores a 1200°C, onde ligas metálicas não resistiriam por muito tempo. Suas vantagens são a resistência a altas temperaturas, a neutralidade a reações químicas e a boa resistência à abrasão, porém possui baixa resistência mecânica, sensibilidade a choques térmicos e porosidade em elevadas temperaturas. Os materiais cerâmicos mais usados são a alumina, o quartzo e o carbureto de silício. Existem também tubos metálicos/cerâmicos (cermets), que são combinações de metais e de óxidos metálicos. Após receberem tratamento tornam-se tubos de alta resistência mecânica, resistentes à corrosão e a choques térmicos. Características dos materiais de proteção cerâmicos Cerâmica tipo 610 Mulita Temperatura máxima de utilização: 1650°C Contém 60% de alumina,40% de sílica, boa condutilbilidade térmica, boa resistência mecânica, é sensível a choques mecânicos e não poroso. Cerâmica tipo 710 Alumina recristalizada Temperatura máxima de utilização: 1900°C Contém 99% de alumina, condutilbilidade térmica e resistência mecânica superior a 610; é sensível a choques mecânicos e impermeável à maioria dos gases sob condições de processo.

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Carbureto de Silício Temperatura máxima de utilização: 1500°C Possui baixa resistência mecânica, porosisdade, excelente condutibilidade térmica e resistência a choques térmicos. Carbureto de Silício Cristalizado Temperatura máxima de utilização: 1500°C Possui baixa resistência mecânica, porosisdade, excelente condutibilidade térmica e resistência a choques térmicos. Tem boa resistência a ácidos e álcalis. É utilizado em metais líquidos como zinco, chumbo, alumínio e cobre. Poço termométrico

Possui a mesma função do tubo de proteção, porém sua principal característica é a estanqueidade, isto é, ele veda o processo, não permitindo vazamentos, perda de pressão e contaminações. É usado também onde as condições de processo requerem segurança em altas temperaturas e pressões ou trabalhem com fluidos muito corrosivos, vibrações e alta velocidade de fluxo.

TUBO DEPROTEÇÃO

CABEÇOTEDE LIGAÇÃO TAMPA

Figura 26 – Poço de proteção

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A diferença básica em relação ao tubos de proteção é a sua construção, já que os materiais utilizados são os mesmos. Os poços são feitos a partir de uma barra maciça usinada, executando-se um furo interno longitudinal e mantendo-se a espessura da parede de acordo com as especificações pré-determindas, proporcionando ao conjunto final resistência mecânica à pressão e deformação superior aos tubos metálicos. A fixação é feita por rosca externa, solda, flange ou outros meios de fixação hermética. Isso elimina a parada e o esvaziamento do processo para troca ou manutenção do elemento sensor. Um problema muito perigoso a que os poços estão sujeitos é o efeito da vibração. É importante que ele possua rigidez mecânica pois o fluido de processo quando atrita no poço forma uma turbulência que possui uma freqüência definida na relação entre o diâmetro do poço e a velocidade do fluido. Se o poço entrar em ressonância durante a turbulência ele tende a se quebrar, perdendo-se e contaminando o processo. Em caso de transbordo de fluido o elemento sensor será afetado. Os poços com haste cônica são os que apresentam melhores resultados frente ao problema de vibração. Proporcionam maior rigidez mecânica, mantendo a sensibilidade em relação aos poços de haste reta ou paralela. Todos os poços termométricos passam por uma série de testes para verificar sua integridade e garantir a vedação do processo. São feitos testes utilizando líquidos penetrantes, pressão hidrostática, ultra som e raios X. O conjunto termopar, tubo de proteção e cabeçote de ligação recebe vulgarmente o nome de "Termopar", na falta de um nome apropriado. Fios e cabos de Extensão e de Compensação

Os fios utilizados normalmente na confecção de termopares são geralmente dispendiosos devido ao custo da matéria prima (platina, ródio, cromo e níquel) utilizada e ao critério na composição das diversas ligas. Geralmente não é possível manter a junta de referência junto ao ponto de medição, mormente nas instalações industriais, devido às condições do local de medição serem inadequadas. Fios são condutores formados por um eixo sólido e cabos são condutores formados por um feixe de condutores de menor diâmetro. Fios e cabos de extensão São condutores formados com as mesma ligas dos termopares a que se destinam, apresentando a mesma curva de F.E.M. por temperatura.

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Apresentam custo inferior pois sua composição não é tão nobre quanto a do termopar, não permitindo sua exposição em temperaturas altas. Fios e cabos de compensação São fabricados com ligas diferentes dos termopares a que se destinam, embora apresentem a mesma curva F.E.M.x temperatura dos termopares. São usados principalmente com termopares nobres tipos R e S, pois é economicamente inviável construir fios de extensão de platina. Os fios de compensação são fabricados normalmente sob a forma de um cabo de dois condutores. Os dois condutores são isolados individualmente recebendo depois uma isolação externa comum podendo, em alguns casos, possuir uma blindagem metálica externa (shield). Os materiais mais empregados na isolação são: borracha, PVC, fibra de vidro, amianto, silicone e teflon. Ligação dos Fios de Compensação Apesar da aparente facilidade da ligação dos fios de compensação esta operação pode trazer surpresas para o técnico inexperiente. O motivo reside no fato de não haver uma padronização dos códigos de cores dos fios de compensação. É importante observar que se os fios de compensação forem ligados invertidos a FEM resultante irá depender das duas temperaturas nos extremos dos fios de compensação. Quanto maior for a diferença entre as temperaturas desses dois pontos, maior será o erro. No caso da temperatura ser igual o erro será nulo (lei dos metais intermediários).

Instrumentação

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TABELA 1 - CABOS DE EXTENSÃO E COMPENSAÇÃO PARA TERMOPARES

Tipo de Termopar

Tipo do Cabo

Material dos Condutores

Norma Americana ANSI MC 96.1

Norma Alemã DIN 43714 Norma Japonesa JISC 1610/81

+ - Cabo + - cabo + - cabo + -

T extensão cobre cobre-

níquel Azul azul vermelho marrom vermelho marrom marrom vermelho branco

J extensão ferro cobre-

níquel Preto branco vermelho azul vermelho azul amarelo vermelho branco

E extensão níquel -

cromo

cobre-

níquel Roxo roxo vermelho preto vermelho preto roxo vermelho branco

K extensão níquel-

cromo

níquel-

alumínio Amarelo amarelo vermelho verde vermelho verde azul vermelho branco

K compensação ferro níquel-

cobre - - - verde vermelho verde azul vermelho branco

S compensação cobre cobre-

níquel Verde preto vermelho branco vermelho branco preto vermelho branco

R compensação cobre cobre-

níquel Verde preto vermelho branco vermelho branco preto vermelho branco

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

N extensão

níquel-

cromo-

silício

níquel-

silício Laranja laranja vermelho - - - - - -

Instrumentista

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Envelhecimento É importante, como já foi visto, que o termopar seja durável, a fim de fornecer para uma certa temperatura uma F.E.M. invariável. Infelizmente, após um tempo mais ou menos longo, o termopar é suscetível a sofrer variações na sua curva F.E.M. X Temperatura. É difícil predizer, pelo menos nos casos novos, qual seria a duração de um dado termopar, porque o envelhecimento depende de uma série de fatores. Entre eles, podemos citar a temperatura, a atmosfera do ambiente, o tubo de proteção, o diâmetro dos fios, etc.

No que tange aos diâmetros dos fios do termopar pode-se dizer que os termopares de fio grosso envelhecem mais lentamente do que os construídos de fio fino. A atmosfera também tem importância capital no envelhecimento de termopares. Um termopar de platina-ródio-platina, em alta temperatura é atacado por uma atmosfera redutora, sendo necessário, em alguns casos, manter uma corrente de ar para o material do poço de proteção. No que concerne ao tubo de proteção vimos que este deve ser escolhido com bastante cuidado. Sua principal qualidade será a estanqueidade e a inércia química. A temperatura também tem importância capital no processo de envelhecimento do termopar. Em temperaturas inferiores a 700°C os termopares tipo K e J envelhecem muito lentamente, o mesmo ocorrendo com o termopar tipo R e S em temperaturas inferiores a 1100°C. Neste caso, por exemplo, se a temperatura ultrapassar muito esse valor, produzir-se-á uma auto-contaminação do termopar (o ródio se evapora) alterando lentamente suas características. Para se ter uma idéia, a duração de um termopar de Ferro-constantan (T) em um ambiente contendo ar a 750ºC é de aproximadamente 1.000 horas. Essa duração é a mesma de um termopar de Cromel-Alumel (K) colocado no mesmo ambiente com o ar a 1.100°C X 1.000 horas. Controle dos Termopares O controle se efetua visando determinar se as características dos termopares estão dentro dos padrões estabelecidos. Diversos métodos podem ser usados na aferição dos termopares:

Instrumentista

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1º) Método de comparação com um termopar padrão: Esta comparação se efetua colocando-se dois termopares na mesma temperatura e comparando-se a F.E.M. fornecida por ambos. Isso pode ser levado a cabo no próprio local ou em laboratório por meio de um forno especial para testes. Evidentemente o segundo procedimento apresenta maior precisão. 2º) Método de fusão de um fio de ouro: Corta-se a junção do termopar e solda-se, entre as extremidades, um fio de ouro de, aproximadamente, 0,3mm por 10mm de comprimento. Leva-se a um forno onde será aquecido gradativamente até o ponto onde se funde o ouro (1063°C), registrando-se, então, a F.E.M. correspondente a esse ponto. 3º) Outros métodos: Método de comparação entre dois termopares de mesma natureza. O termopar em teste é associado em oposição a um termopar padrão do mesmo material. Aquece-se o conjunto e observa-se a F.E.M. desenvolvida, que deverá ser nula no caso dos termopares serem iguais. Neste caso, a F.E.M. desenvolvida acusará diretamente o desvio do termopar em teste. Inércia dos Termopares - Erro Dinâmico Inércia dos Termopares Os fatores que influenciam o tempo de resposta dos termopares são: • Capacidade térmica do termopar; • Condutividade térmica do termopar; • Relação superfície/massa do termopar; • Coeficiente de transferência de calor entre o fluído e a superfície do termopar; • Capacidade térmica do fluído que envolve o termopar.

O poço de proteção tem um papel preponderante no tempo de resposta do termopar. O espaço morto entre a junta de medição e o poço afeta seu tempo de resposta. Existem alguns processos para reduzir o retardo devido a esse espaço morto, como:

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1 - Junta de medição soldada ao poço. 2 - Óleo entre a junta de medição e o poço. 3 - O poço como elemento do termopar (Fe-Const.). O poço, quando montado verticalmente, traz uma desvantagem adicional: forma-se, em seu interior, uma corrente de conversão no sentido da junta de medição para o cabeçote. Evita-se o fenômeno não permitindo espaços vazios que permitam a circulação da massa gasosa. No caso de medição de altas temperaturas o tempo de resposta é sensivelmente reduzido à medida que a temperatura sobe devido à troca de calor por radiação. Esse tempo depende da quarta potência da temperatura absoluta. Por exemplo, colocando-se um termopar em um ambiente a 250°C levará 5,7 min para se obter o equilíbrio. Se o colocarmos em um ambiente a 950°C o tempo será reduzido a 1,7 min. Erro Dinâmico e Retardo Se a temperatura de um ambiente (ex.: forno), aumenta e diminui a uma velocidade constante, o termopar acusará um retardo constante sobre a temperatura. Conclui-se que em um dado instante a medição apresenta um erro chamado "erro dinâmico". ERROS DE LIGAÇÃO DE TERMOPARES

Usando fios de cobre

Geralmente, na aplicação industrial é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados. Não convém que o aparelho esteja demasiadamente próximo do local onde se mede a temperatura .Nessas circunstâncias deve-se processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho através de fios de extensão ou compensação. Tal procedimento é executado sem problemas desde que o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador estejam na mesma temperatura de medição. Vejamos o que acontece quando essa norma não é obedecida (figura 27).

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Figura 27 – Utilizando fio de cobre

Uma solução simples e que normalmente é usada na prática é a inserção de fios de compensação entre o cabeçote e o registrador. Esses fios, em síntese, nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da FEM que aconteceu, no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador. Vejamos o que aconteceria se, no exemplo anterior, ao invés de cobre usássemos um fio compensado. A figura mostra de que maneira se processa a instalação.

Figura 28 – Utilizando cabo de compensação

Como no caso acima, a FEM efetiva no cabeçote é de 20,74 mV. Dela até o registrador são utilizados fios de extensão compensados, os quais adicionam à FEM uma parcela igual a 0,57 mV fazendo, assim, com que chegue ao registrador uma FEM efetiva de 22,26 mV. Esse valor corresponderá à temperatura real dentro do forno ( 538°C ). A

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vantagem dessa técnica provém do fato de que os fios de compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes.

Inversão simples

Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos. Assume-se que o forno esteja a 538°C, o cabeçote a 38°C e o registrador a 24°C. Devido à diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém, em virtude da simples inversão o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice- versa. Isso fará com que a FEM produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador, o que fará com que o registrador indique uma temperatura negativa.

Figura 29 – Inversão simples

Inversão dupla

No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão. Isso acontece com freqüência pois quando uma simples inversão é constatada é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém isso não acontece e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.

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Figura 30 – Inversão Dupla

Pirometria de Radiação Introdução Medidas de temperatura de corpos aquecidos através da radiação emitida têm sido largamente empregadas no processamento industrial. Não há contato direto com o corpo cuja temperatura está sendo medida e há uma relativa independência quanto à distância entre ele e o elemento detetor de radiação. O corpo pode estar em repouso ou em movimento, o que torna o método particularmente aplicável em processos contínuos (fornos rotativos, laminação, etc.). Temperaturas acima de 1500°C (limite superior de uso de termopares de Pt-Pt, Rh) são comuns nas indústrias e, apesar dos progressos na técnica da fabricação de novos tipos de termopares, como V-V74 Re26 ou Ir40 Rh60, que estendem o intervalo de aplicação dos termopares cerca de 2000ºC ou mais, os pirômetros de radiação ocupam um lugar definido na pirometria e não têm, em princípio, limite superior de temperatura. A Escala Prática Internacional de Temperatura, de 1948, é definida, acima de 1063°C (ponto de ouro), por uma equação que relaciona a energia radiante de um radiador perfeito (corpo negro) com a temperatura (Lei de Planck). Sérias causas de erro devem ser consideradas na aplicação, sendo claro que o seu conhecimento, bem como das precauções que se impõem para tornar seus efeitos menores são condições indispensáveis ao bom êxito da medida.

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Histórico As primeiras tentativas de correlacionar a radiação térmica emitida por um corpo incandescente com a temperatura tiveram como objetivo a determinação da temperatura do sol (Piroheliômetro de Pouillet-1838). O processo consistia, essencialmente, em receber os raios solares num calorímetro e, aplicando a Lei de Dulong-Petit (J = aT, onde J é a energia térmica recebida , a é a constante do aparelho e T a temperatura da fonte), calcular T. Poillet obteve 1300°C. Voulle (1879), utilizando a mesma lei porém modificando o processo, achou 1500°C a 2500°C. Secchi, aplicando a lei de Newton (J = a(t1 - to) ao mesmo processo chegou a um valor de vários milhões de graus. Roselti (1879) utilizou a termopilha produzida por Hobili e Melloni (1879-1834), que consistia em tiras alternadas de bismuto e antimônio, desenvolvendo uma nova relação entre a energia radiante e a temperatura da fonte chegando, por extrapolação, a um resultado de 10000°C. O valor presentemente aceito é de cerca de 5700°C. Somente com a formulação, por Stefan, em 1879, da lei da radiação total de um corpo negro e a fundamentação teórica, por Boltzmann (1884) a medida de temperatura por radiação foi posta em bases satisfatórias. O aperfeiçoamento técnico nas termopilhas permitiu, no início do século XX, a aplicação do processo à determinação de temperaturas terrestres (1902). Daí por diante verificou-se um contínuo desenvolvimento e generalização do uso de pirômetros de radiação e de pirômetros óticos na indústria. RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Hipóteses de Maxwell

Os trabalhos científicos de Coulomb, Ampère, Faraday e outros estabeleceram os princípios da Eletricidade. Na década de 1860 o físico escocês Maxwell desenvolveu uma teoria matemática na qual generalizou esses princípios. Considerando que na indução eletromagnética um campo magnético variável induz uma força eletromotriz, o que é característico de um campo elétrico, Maxwell apresentou as seguintes hipóteses:

1 – Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico e,

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SENAI 312

2 – Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo magnético. Com essas hipóteses Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios da Eletricidade. A verificação experimental de sua teoria só foi possível quando se considerou um novo tipo de onda, as chamadas ondas eletromagnéticas. Essas ondas surgem como conseqüência de dois efeitos: um campo magnético variável produz um campo elétrico e um campo elétrico variável produz um campo magnético. Esses dois campos, em constantes e recíprocas induções, propagam-se pelo espaço.

Ondas eletromagnéticas

As ondas ocorrem quando uma perturbação originada em uma região pode ser reproduzida nas regiões adjacentes em um instante posterior.

De acordo com Maxwell, se em um ponto P produzirmos um campo elétrico variável E, ele induzirá um campo magnético B variável com o tempo e com a distância ao ponto P. Além disso, o vetor B variável induzirá um vetor E, que também varia com o tempo e com a distância do campo magnético variável. Esta indução recíproca de campos magnéticos e elétricos, variáveis com o tempo e com a distância, torna possível a propagação dessa seqüência de induções através do espaço.

Figura 31 - Propagação das Ondas Eletromagnéticas no espaço

Portanto, uma perturbação elétrica no ponto P, devida à oscilação de cargas elétricas, por exemplo, se propaga a pontos distantes através da mútua formação de campos elétricos e magnéticos variáveis. Maxwell estabeleceu equações para a propagação

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dessa perturbação, mostrando que ela apresentava todas as características de uma onda: refletindo, refratando, difratando e interferindo. Por isso denominou-a onda ou radiação eletromagnética.

Espectro eletromagnético

Hoje sabemos que existe uma variação ampla e contínua nos comprimentos de onda e freqüência das ondas

eletromagnéticas.

No quadro abaixo temos um resumo dos diversos tipos de onda eletromagnética, chamado espectro

eletromagnético; as freqüências estão em hertz e os comprimentos de onda, em metros.

Figura 32 - Espectro eletromagnético

Analisando esse quadro observamos que luz, ondas de rádio e raios X são nomes dados a certas faixas de

freqüência e comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Cada nome caracteriza uma faixa, na qual

as ondas são emitidas e recebidas de um modo determinado. Por exemplo, a luz, de comprimentos de onda

em torno de 10-6 m, pode ser percebida através de seu efeito sobre a retina, provocando a sensação de visão;

mas, para detectar ondas de rádio, cujo comprimento de onda varia em torno de 105 m a 10-1 m, precisamos

de equipamentos eletrônicos.

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SENAI 314

Radiação Total - Emitância

Todos os corpos, em virtude da energia térmica que possuem, emitem energia radiante em suas superfícies. Essa energia é emitida em forma de ondas eletromagnéticas cujos comprimentos se estendem do ultravioleta ao infravermelho (0,001 a 100 micra), compreendendo o intervalo visível (0,38 a 0,78 micra). Dois corpos A e B, sendo A o mais quente, emitem e absorvem radiação e há transferência de energia de A para B, pois A emite mais do que absorve. Todos os processos radiantes são deste tipo, isto é, são processos de intercâmbio de radiação. Corpo Negro

Chama-se corpo negro, ou radiador perfeito, um corpo que absorve toda a radiação que sobre ele incide emitindo, por sua vez, energia em todos os comprimentos de onda, os quais estão diretamente relacionados ao valor da temperatura. Um corpo opaco, que não se enquadra no conceito do corpo negro, reflete parte da energia que sobre ele incide. Chamando "a" e "r" os coeficientes de absorção e reflexão, respectivamente, temos: a + r = 1 (1) O conceito de radiador perfeito define o conceito de emitância como a relação entre a radiação total emitida por um corpo e a que seria emitida se se tratasse de um radiador perfeito, à mesma temperatura. Quando a definição acima se refere a uma faixa estreita de comprimentos de onda (radiação monocromática), dá-se a denominação emitância espectral, em contraposição ao caso acima referido, em que a emitância é total. Kirchoff foi o primeiro a expressar as trocas radiantes em termos matemáticos. Considerou um pequeno corpo colocado no interior de um recinto fechado de grandes dimensões cujas paredes têm temperatura uniforme T. Estabelece-se um regime estacionário de transferência de radiação: corpo ® ¬ paredes. Uma superfície com área unitária do corpo receberá, por unidade de tempo, energia radiante E, da qual absorve a.E e reflete r.E. Estando o corpo à mesma temperatura T que as paredes, deve se verificar a condição: a . E = r .E Onde:

a = r (2)

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SENAI 315

Onde: E é a emitância total do corpo. Se r = 0, isto é, se o corpo é um radiador perfeito, das equações (1) e (2) conclui-se que E = 1 A cavidade representada pelo recinto fechado também se comporta como um radiador perfeito, independentemente da natureza das paredes. Se pudéssemos colocar um pirômetro no interior do recinto poderíamos determinar a intensidade da radiação e, conseqüentemente, a temperatura.

Na prática, obtém-se uma aproximação razoável fazendo-se uma cavidade, na parede de um forno, por exemplo, e dirigindo o pirômetro para o fundo da mesma. A profundidade do furo deve ter menos cinco vezes o diâmetro. Lei de Stefan Boltzmann

A lei de Stefan Boltzmann estabelece que a radiação total por unidade de área e por unidade de tempo de um radiador perfeito é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. W = . T 4σ (3) Onde: W = fluxo radiante por unidade de área (f / A). T = temperatura absoluta (ºK). σ = constante de Stefan-Boltzmann: 5,77 . 10-5 erg/seg.cm2.ºK4 ou 5,77 . 10-12 watt/cm2.ºK4. Para o fluxo radiante teremos:- σ = A . T4 (4) A conseqüência imediata é que quando um corpo negro de área A e temperatura T é posto num recinto cujas paredes estão à temperatura To, (T >To) ele perderá temperatura por radiação: σ = A . (T4 - To

4)

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SENAI 316

Tratando-se de um corpo com emissividade total e, teremos: σ = ∆ . e . A . (T4 - To

4) (5) Se To é pequeno em relação a T, a equação pode ser reduzida a: σ = ∆. e . A . T4 (6) Exemplo: To = 350°K T4 → To

4 (mais de 1000 vezes) T = 2000°K Tal não acontece se T = 700°K, no exemplo acima, pois nesse caso T4 é somente 16 vezes maior. Medição de Temperatura Princípio

Como conseqüência da lei de Stefan-Boltzmann, é possível medir a temperatura de um corpo pela medida do fluxo radiante emitido por ele. Isso é feito concentrando o feixe radiante sobre uma superfície absorvente (corpo negro). A temperatura do detetor, o qual é aquecido pela radiação incidente, subirá até atingir um equilíbrio com o meio ambiente (perdas por radiação, convecção e condução). Na maioria dos pirômetros de radiação o equilíbrio é atingido antes que a temperatura ultrapasse em 40°C a temperatura ambiente, mesmo quando a fonte é incandescente. Toda variação na temperatura da fonte resulta, portanto, numa variação na temperatura do detetor mas de magnitude muito menor, tão pequena que justifica a aplicação da lei do resfriamento de Newton. Chamando T1 e T2 a temperatura inicial e final da fonte e t1 e t2 as correspondentes do detetor, temos: T2

4 - T14 = K (t2 - t1) (7)

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SENAI 317

Embora ∆t < ∆T, sua taxa de crescimento é quatro vezes maior, exigindo que o detetor seja bastante sensível. O detetor mais comumente usado é a termopilha, montada com as junções quentes em contato com um disco metálico enegrecido. Outros detetores possíveis são o termômetro bimetálico, o termômetro de gás e a tira de Pt enegrecida, formando um dos braços de uma ponte de Wheatstone. As junções de referência ficam isoladas da radiação incidente. A força termoeletromotriz e será função da diferença da temperatura entre as junções: e = K . ∆t = K1 . T4 Determinado o valor de e para o valor conhecido de T podemos obter, experimentalmente, a função: T = f(e). Esta é a base da pirometria de radiação total. Crítica

a) Na realidade e não é função linear de ∆t. b) A junção fria da termopilha é usualmente projetada de modo a ficar bem próxima da junção quente. A posição adjacente das duas assegura que ambas sejam igualmente afetadas por variações na temperatura ambiente. O uso de fios extremamente finos para os termopares reduz as perdas por condução, daí o uso de cromel (+) constantan (-), que oferecem excelentes propriedades de resistência mecânica a choques e vibrações, além de baixa condutividade térmica e boa estabilidade química (8 - 10 pares em série asseguram sensibilidade adequada). Se a compensação da junção fria se faz necessária, um dos processos consiste em ligar um shunt de níquel entre os terminais da termopilha na região da junção fria. O circuito equivalente é:

r

rt

E

+-

i

+-

Figura 33 - Compensação da Junta Fria

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SENAI 318

Dr + r + r

e) - (e . )r + (r= e'sst

sss

∆∆

e = F.E.M. da termopilha rt = resistência interna da termopilha rs = shunt de níquel A temperatura t1 da junção fria a corrente i no circuito é:

i = e rt + rs

E a queda do potencial em rs:

es = rs . ert + rs

(9)

Se a temperatura da junção fria sobe para t2, rt permanece aproximadamente constante e rs, que tem coeficiente positivo de temperatura, cresce a rs + ∆rs, ao mesmo tempo em que a tensão de saída cai de e para e - ∆e. A corrente i' será, agora,

i'= e - er + r + t s rs

∆∆

E a queda de tensão em rs + ∆rs será :

(10) As condições de compensação são expressas por: es = e's Comparando (9) e (10), teremos:

rs . e r + r

= (rs + rs) (e - e) r + r + r

t s t s s

∆ ∆∆

Conhecendo-se rt, e = f(t) e rs = f(t), calcula-se o valor de r3 pela equação (11). Nota: Na realidade rt não é invariável mas sua variação é desprezível frente à de rs.

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c) Uma observação importante deriva do fato de que a radiação que atinge o detetor não ser negra e da lei de Stefan-Boltzmann não ser obedecida. Isso resulta de uma absorção seletiva de radiação pela atmosfera, por janela de quartzo, por aparelhos ou lentes e pelo próprio detetor. Em vez de W = σ . T4 (12), a energia absorvida pelo detetor seria da forma: W = σ . T4 (12) Burgers e Foots, do N.B.S., testaram 22 instrumentos e encontraram: 3,28 < n < 4,26 O valor de n tende a crescer quando T cresce. A curva T = f(e) é levantada experimentalmente para cada pirômetro, que traz gravado o valor de e corresponde à temperatura visada e a um corpo negro na temperatura limite de um intervalo de calibração (valor utilizado para correção de emitância). Note-se que o erro em temperatura é menor que o da medida de energia. Diferenciando a expressão (12), teremos: dW = n . σ . Tn-1 . dT Dividindo membro a membro por (12), vem:

(13)

Assim, se n = 4 um erro devido à emitância 0,9 ao invés de 1,0 resulta num erro em temperatura de 1/4 - 10% = 2,5%. Ótica dos Pirômetros de Radiação Total

Se fosse possível, a termopilha seria exposta diretamente à radiação da fonte quente e as junções frias seriam mantidas à temperatura constante por um sistema adequado de resfriamento. A superfície emissora teria de ser lisa, infinita e com temperatura uniforme. O ângulo sólido seria 2prd e a temperatura da junção quente da termopilha deveria ser independente da distância entre a superfície emissora e a fonte.

Uma vez que as dimensões da superfície emissora são finitas, o fluxo radiante que atinge o detetor é reduzido e para uma dada área da superfície emissora a resposta da termopilha será função da distância, isto é, do ângulo sólido subtendido.

dWW

= n . dT T

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A solução é limitar, por meio de um diafragma com cobertura circular, o ângulo sólido; a radiação que atinge o detetor será independente da distância desde que a base do cone AA' (fig. 34) seja inteiramente coberta pela superfície emissora. Limitação: Se o detetor fica relativamente afastado a área emissora deverá ser muito grande. Se fecharmos o diafragma o detetor deverá ser demasiadamente sensível.

DETETOR

DIAFRAGMAA

A'

0

Figura 34 - Ação do Diafragma no Pirômetro

Montagem com Lente A lente focaliza a imagem do alvo na abertura do diafragma. Isso significa que as distâncias da superfície emissora e do plano do diafragma à lente devem satisfazer a questão dos focos conjugados: 1 p

= 1 p'

= 1 f

Tanto a lente como o diafragma podem ser ajustados: a lente para focalização e o diafragma para variar a sensibilidade. A lente é confeccionada com vários tipos de material, conforme o intervalo de temperatura em que irá operar. O Brown radiamatic (Minneapolis Honeywell) utiliza lentes de fluoreto de cálcio para 400 – 1200°F, de sílica fundida para 1000 – 2000°F e de Pyrex para 1500 – 3200°F em diante.

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LENTE

ENERGIARADIANTE

DETETOR

DIAFRAGMA

Figura 35 - Pirômetro de Radiação Refrator

A principal restrição ao uso de lentes reside no fato de que o índice de refração varia com o comprimento de onda da radiação incidente e, conseqüentemente, com a distância focal. A imagem sai colorida (aberração cromática) e não bem focalizada. Há ainda a absorção seletiva pelo material da lente de certos comprimentos de onda. Apesar desses inconvenientes, o pirômetro com lente é muito útil para aplicação em alvos pequenos. A uma distância de 24" uma superfície de uma polegada de diâmetro é suficiente (narrow angle). Montagem com Espelho Ao invés da lente pode-se usar um espelho esférico côncavo (de aço inoxidável ou vidro aluminizado) com o inconveniente antes apontado de que o ângulo sólido é grande (wide angle).

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JANELA TRANSPARENTE

PROTETOR

DIAFRAGMA

ENERGIA RADIANTE

ESPELHO

Figura 36 – Montagem com espelho

Montagem com Duplo Espelho É o tipo mais aperfeiçoado, conjugando as vantagens dos dois sistemas anteriormente examinados (fabricado por Leeds & Northrup Company).

ENERGIA RADIANTE

ESPELHO

ESPELHO

DIAFRAGMA

Figura 37 - Pirômetro de Radiação Refletor (2 Espelhos)

A radiação entra pela janela A de quartzo, é refletida pelo espelho B, cujo foco está na abertura do diafragma, é re-refletida pelo espelho C (de maior curvatura) e atinge o detetor D, onde a imagem se forma. Pela lente do visor pode-se focalizar com precisão. A superfície do diafragma é recoberta com uma leve camada de óxido de magnésio, a qual provoca uma reflexão difusa suficiente para permitir a observação da imagem do alvo, que deverá cobrir a abertura do diafragma (não há aberração cromática e a aberração esférica é muito pequena). É evidente que a estrutura interna intercepta parte da radiação incidente. Cerca de 25% da área do espelho B é coberta pela imagem do espelho C (para feixe paralelo). A diminuição de sensibilidade resultante não tem maior importância.

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SENAI 323

Para temperaturas acima de 2000°F, pelo efeito de absorção da janela de quartzo, o expoente de expressão de Stefan Boltzmann é de, aproximadamente, 5 para 1/16" de espessura da janela. Distância e Dimensões do Alvo A resposta de um pirômetro de radiação independe da distância do alvo desde que o sistema ótico esteja inteiramente coberto. As dimensões do alvo são usualmente expressas em termos do diâmetro de um circuito equivalente situado em plano perpendicular ao eixo ótico. Além de certas distâncias mínimas permissíveis, define-se uma relação denominada fator de distância. fator de distância = distância do alvo (14) diâmetro mínimo de alvo Na maioria das medidas industriais o fator de distância estará na região 20.1 a 24.1. Tipos "wide angle" têm naturalmente valores menores, da ordem de 7.1. Re-radiação de energia pelas lentes, espelhos, janelas A re-radiação de energia pelas lentes, espelhos, janelas, etc., pode causar erro, a menos que a temperatura interna do pirômetro seja homogênea. Nos casos em que a temperatura apresenta um valor demasiado elevado ou variações violentas utiliza-se resfriamento a água ou ar. Causas de Erro e Precaução Fumaça, poeira e gases absorvem radiação, diminuindo a temperatura aparente. SO2, CO2, vapor d'água e amônia apresentam bandas de absorção nos comprimentos de onda usados na pirometria. Por outro lado, gases quentes, chama e carbono em alta temperatura contribuem para aumentar a temperatura aparente. Nesses casos, o único recurso é usar um tubo alvo (target tube) fechado ou um tubo aberto, purgado com ar ou gás inerte, o que garante uma linha de visão livre de meios absorventes. O tubo alvo pode ser construído com uma variedade de materiais (silimanite, carbureto de silício, inconel, níquel -cromo, ferro aço) e diminui, é claro, a velocidade de resposta, uma das características mais favoráveis dos pirômetros de radiação.

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SENAI 324

Tempo de Resposta A velocidade de resposta dos pirômetros de radiação é limitada pela termopilha. Quando se deseja alta velocidade de resposta as seguintes providências se impõem (com sacrifício de sensibilidade): 1º) Os fios dos termopares devem ter diâmetro muito pequeno. 2º) O número de junções deve ser reduzido. 3º) O material de enegrecimento deve ser diminuído, resultando um filme tão fino quanto possível. Reduz-se, desse modo, a capacidade do detetor e tempos de resposta da ordem de 0,5 a 2 seg. são atingidos. Tolerância Em condições de laboratório a precisão estática da calibração é da ordem de ± 0,5%. Na prática industrial esse valor é bastante aumentado por ação das causas de erro apontadas.

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SENAI 325

Pirometria Ótica Introdução Instrumentos designados como "pirômetros óticos" são aqueles que medem a energia radiante emitida por uma superfície alvo em estreito intervalo de comprimentos de onda (faixa de 100Å em torno de 6500Å, vermelho). A medição se baseia na grande sensibilidade que caracteriza o olho humano no que concerne à distinção de nuanças de brilho. O processo consiste, essencialmente, em comparar o brilho da imagem da superfície alvo com o brilho de um filamento incandescente (até que os dois se confundam), medir alguma grandeza relacionada com o brilho (radiância espectral) de um dos componentes e traduzir a medida em termos de temperatura. É o método do filamento evanescente, adotado na Conferência Internacional de Pesos e Medidas de 1927 (confirmando em 1948) para definir a Escala Prática Internacional de Temperaturas acima do ponto de ouro, ou seja, 1063°C. Lei de Radiação de Planck - Lei de Wien A densidade de fluxo radiante emitido por um radiador perfeito (corpo negro) à temperatura T numa faixa de 100Å em torno de um comprimento de onda é dada pela Lei de Planck.

Wl = C1r

1 e

C2/ T λ λ − 1 (16)

Onde: Wλ = erg/cm2 . seg 0,01 micron de zona espectral; e = base neperiana; C1 = 3,7403 . 109 erg/seg . cm2 . 0,01 micron de zona espectral; C2 = 1,4384cm . °K; T = °K. A equação (16) fornece para cada valor de T a distribuição de energia em função de l. Observa-se que a intensidade de radiação varia apreciavelmente com o comprimento de onda. A máxima intensidade de radiação se desloca no sentido dos menores comprimentos de onda quando a temperatura cresce.

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O máximo de intensidade radiante é dado pela Lei do Deslocamento de Wien.

Figura 38 - Energia Radiante Espectral

Quando T cresce, λ decresce proporcionalmente. Daí a variação observada na cor de um corpo incandescente, a qual varia com o acréscimo de temperatura do vermelho sombrio para o branco. Daí também o conceito de cor de temperatura num corpo negro. Num pirômetro ótico a radiação da superfície alvo é focalizada por meio de uma objetiva num plano onde se encontra o filamento de uma lâmpada de tungstênio. 1 - alvo 2 - lente 3 - diafragma 4 - filtro absorvente (screen) 5 - lâmpada 6 - filtro vermelho 7 - lente objetiva (microscópio) 8 - diafragma 9 - lente ocular (microscópio) 10 - olho humano

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SENAI 327

109

8

76

54

32

1

Figura 39 - Pirômetro Óptico Monocromático

Para temperatura acima de 1300°C, como veremos adiante, torna-se necessário interpor um filtro (screen) para reduzir a radiância observada protegendo, assim, o filamento da lâmpada (menor temperatura). Através do conjunto de lentes 7 a 9 o olho humano compara as duas imagens devidamente filtradas por 6 (6500Å). Se o filamento aparece escuro no fundo vermelho sua temperatura é inferior à do alvo, se destaca um vermelho brilhante está mais quente; o ponto procurado é aquele em que não se consegue distingui-lo (filamento evanescente). Filtros Absorventes (Screens) O limite inferior das temperaturas mensuráveis com o pirômetro ótico é de cerca de 1400°F (760°C). Em temperatura mais baixa a intensidade da radiação transmitida pelo filtro vermelho diminui a visibilidade adequada da fonte e do filamento. O limite superior é determinado por dois fatores: deterioração do filamento e altas temperaturas e esforço visual (fadiga). O limite estabelecido é de 1250°C. Para temperatura mais alta reduz-se o brilho aparente do alvo por meio de screens absorventes de vidro colocados entre a objetiva e o filamento da lâmpada. Para evitar refocalização do instrumento quando o alcance mais baixo é usado, um filtro transparente com vidro do mesmo índice de refração é interposto no caminho ótico. A calibração da escala baixa é efetuada com este filtro em posição. Desse modo pode-se obter dupla ou tripla escala com limites muito superiores àqueles permissíveis para a lâmpada.

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Exemplo: Pirômetro ótico L & N nº 8626-0 com três escalas: 1075 – 1750°C 1500 – 2800°C 2500 – 4200°C Causas de Erro Há, em geral, dois fatores que interferem no uso do pirômetro ótico: a) O efeito de meios absorventes. b) Emitância espectral da superfície-alvo. Temperatura ambiente tem pouca influência na precisão. A distância entre o pirômetro e o alvo não é crítica desde que a superfície visada seja suficiente para "encher" o campo ótico. a) O efeito de meios absorventes é o de baixar as leituras, pois o brilho aparente do alvo diminui por efeito de absorção de radiação por gases, fumaça, poeiras, etc... Vapor d'água, CO e outros gases absorvem radiação, especialmente a infravermelha e, portanto, não influem sensivelmente nas leituras desde que a densidade e concentração sejam relativamente pequenas. b) A influência da emitância espectral da superfície alvo é a mesma que no caso dos pirômetros de radiação total, embora o afastamento das condições do corpo negro da medida monocromática seja menor que no caso mencionado.

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10. Elementos Finais de Controle

É um mecanismo que varia a quantidade de energia ou material (agente de controle), em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável controlada em um valor (ou faixa de valores) pré - determinado.

Figura.

A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial. Em sistemas de controle gases e ar são também usados o “damper”, porém poderemos citar outros elementos, tais como: inversores de freqüência, resistências elétricas, motores, variadores de velocidade, etc.

Figura. Dumper

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Figura. Inversor de Freqüência

Como o controlador, o elemento final de controle pode ser operado por meios elétricos, pneumáticos e mecânicos.

A posição do elemento final de controle (EFC) na cadeia automática de controle é mostrado na figura a seguir.

Figura.

A válvula de controle desempenha um papel muito importante no controle automático de modernas indústrias, que dependem da correta distribuição e controle de fluídos líquidos e gasosos. Tais controles, sejam para trocas de energia, redução de pressão ou simplesmente para encher um reservatório, dependem de algum tipo de elemento final de controle para fazer esse serviço.

Os elementos finais de controle podem ser considerados como o “músculo” do controle automático. Eles fornecem a necessária amplificação de forças entre os baixos níveis de energia, fornecidos pelos controladores, e os maiores níveis de energia necessários para desempenho de suas funções de fluidos.

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A válvula de controle é o elemento final de controle mais utilizado. Outros tipos de elementos finais de controle podem ser bombas dosadoras, dampers e louvers (variação de válvula borboleta), hélice de passo variável, motores elétricos para posicionamento de equipamentos que não sejam válvulas , etc.

Apesar de largamente utilizada, provavelmente não exista outro elemento qualquer no sistema de controle, que receba menor parcela de atenção. Em muitos sistemas, a válvula de controle é mais sujeita a severas condições de pressão, temperatura, corrosão e contaminação do que qualquer outro componente, e ainda assim, deve trabalhar satisfatoriamente com um mínimo de atenção. Uma válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação, e é definida por alguns autores, como sendo um orifício de dimensões variáveis.

PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais:

Figura.

Atuador

Constitui-se no elemento responsável em proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle, ele quando corretamente selecionado, deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de processo.

Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em aplicações de controle modulado, classifica-se em três grupos principais: pneumático, elétrico e hidráulico.

Atuador Pneumático Tipo Mola Diafragma

Este tipo de atuador é acionado através do ar comprimido e o retorno à posição original é feito através de mola. Normalmente ele provoca um deslocamento linear na haste da válvula. As figuras a seguir mostram este atuador.

Instrumentista

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Figura. Atuador pneumático tipo mola diafragma

Figura. Instalação de uma válvula com atuador mola diafragma

Atuador Pneumático Tipo Pistão

Este tipo de atuador é acionado também através do ar comprimido e o retorno à posição original é feito através de mola. Normalmente ele provoca um deslocamento rotativo na haste da válvula. As figuras a seguir mostram este atuador.

Figura. Atuador pneumático tipo pistão

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Figura. Instalação de uma válvula com atuador tipo pistão

Atuador Pneumático Dupla Ação

Este tipo de atuador é acionado através do ar comprimido e tanto a ida do embolo como o retorno do mesmo a posição original é feito através do ar comprimido. Normalmente ele provoca um deslocamento rotativo na haste da válvula. As figuras a seguir mostram este atuador.

Figura. Atuador pneumático dupla ação

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Figura. Instalação de uma válvula com atuador dupla ação

Atuador Elétrico

Este tipo de atuador é na verdade um motor que recebe por exemplo um sinal de 4 a 20 mA e aciona o deslocamento do obturador. Já existem fabricantes que possuem atuadores elétricos que recebem sinais de redes digitais como por exemplo o Profibus PA e Devicenet .A figura a seguir mostra este atuador.

Figura. Atuador elétrico

Figura. Instalação de uma válvula com atuador elétrico

Instrumentista

SENAI 335

Atuador Hidráulico

Este tipo de atuador é utilizado quando a força necessária para movimentar o obturador é muito alta, normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

Corpo

É à parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluído no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos:

• internos

• castelo

• flange inferior.

Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo formado por todos os sub-componentes acima mencionados. Em alguns tipos de válvulas, corpo e castelo formam um só peça denominada de apenas corpo; em outros nem existe o flange inferior.

Porém, vamos por ora desconsiderar tais particularidades, optando por um conceito mais global, para posteriormente irmos restringindo-o na medida em que formos analisando cada tipo de válvula de controle.

Sendo o conjunto do corpo, à parte de válvula que entra em contato direto com o fluído, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluído.

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas sub-entendemos tipos de corpos.

Podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos:

Instrumentista

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Tabela 1.

Globo Convencional

Globo Três Vias

Globo Gaiola

Globo Angular

Diafragma

Bipartido

De deslocamento Linear

Guilhotina

Borboleta

Esfera De deslocamento rotativo

Obturador Excêntrico

VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE

Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve, um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante.

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

Válvulas Globo

Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, interna de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica.

É do tipo de deslocamento de haste e a sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou solda. Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluído.

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SENAI 337

Figura. Válvula globo sede simples e válvula globo sede dupla

Válvulas Globo Sede Simples

Uma válvula globo sede simples reversível é mostrada a seguir. O obturador é guiado na base, no topo e/ou em sua saia e sua montagem faz com que a válvula fecha ao descer a haste.

Figura.

Este estilo de corpo é chamado reversível porque poderemos montá-lo utilizando exatamente as mesmas peças. O tipo de ação mais desejável para uma aplicação específica é determinado pelos outros elementos da cadeia de controle e sobretudo pela possibilidade de perda de potência do atuador (falta de ar, por exemplo). Este tipo de corpo é fabricado em tamanhos de 1/2” até 12” e em valores de pressão ASA de 600 psi. Valores de pressão de 900 a 1.500 psi são fabricados em tamanhos menores.

Possuem menor custo de fabricação, fácil manutenção, operação simples e fecham com pouco ou nenhum vazamento, por possuírem obturador estaticamente não balanceado são classificadas como classe IV ou seja ocasionam um vazamento quando a válvula totalmente fechada da ordem de 0,01% da sua capacidade de vazão máxima.

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SENAI 338

Seu inconveniente é que mais força é necessário para o atuador posicionar o obturador, este fato se deve por ser uma válvula cujo obturador não é balanceado. A força que atua sobre o obturador quando a válvula está fechada é dada pelo produto da área total do orifício pela pressão diferencial através da válvula.

Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas de tal forma que a vazão tende a abrir. Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade . Quando válvulas de sede simples são instaladas de forma que a vazão tende a fechar a válvula, é possível o martelamento da sede pelo obturador fenômeno conhecido como “CHATTERING”, se a força de desequilíbrio é relativamente alta em comparação com a força de posicionamento do obturador . É possível existir condições que obriguem a instalação de válvulas com sedes simples e cuja vazão tende a fechar.

Tais instalações de válvulas com orifícios maiores que 1” e com atuadores pneumáticos trabalhando com altas quedas de pressão, devem ser feitas com cuidado. Válvulas com orifício menor que 1” de diâmetro podem usualmente trabalhar com vazão em qualquer direção.

Válvula de sede simples , com guia do obturador somente no topo, são usadas para orifício de 1” e menores. Ela fornece guias adequadas para pequenos diâmetros e permite que o fluído se escoe mais facilmente pelo orifício.

A figura a seguir mostra a atuação das forças dinâmicas provenientes do fluído agindo contra o obturador de uma válvula Globo sede simples.

Figura.

Estando a válvula totalmente fechada e portanto P2 = 0, a pressão diferencial através dela é ∆P = P1 - P2 = P1 . Essa pressão diferencial, que é igual à pressão

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SENAI 339

diferencial ∆PMAX, dado de principal importância na seleção de uma válvula e no dimensionamento do atuador.

Neste caso, o atuador produzindo uma força FM dirigida de cima para baixo, transmite-a através da haste para o obturador. Por outro lado, a pressão P1 do fluído contra o obturador (que bloqueia a sede de diâmetro DS ) produz uma força FF para cima em sentido contrário à FM do atuador. Para termos um funcionamento correto da válvula, FM tem que ser suficientemente maior que FF, ou seja :

FM ( ) > FF ( ) FM ( ) > ( P1 - P2 ) ( AS - AH )

FM ( ) > (∆P ) ( AS - AH ) FM ( ) > ( P1 - 0 ) ( AS - AH )

FM ( ) > ( P1 ) π/4 ( DS - DH )

FM ( ) > 0,7854 ( DS - DH )

FM ( ) > 0,7854 . P1 - D2

onde D2 = DS - DH = diâmetro de passagem

A força FM deve ser suficientemente maior que a FF , pois há outras forças envolvidas, como por exemplo, a força da mola do atuador que é contrária a FM , a força proveniente do atrito nas gaxetas e outras.

O índice de vazamento definido anteriormente, é para válvulas de fabricação normal, ou seja, com assento metal - metal. Contudo podemos atingir um índice de menor vazamento (sem aumentar a força de assentamento do atuador), utilizando a construção de assentamento composto, ou seja metal - borracha , metal – teflon , etc.

Este tipo de construção, muitas vezes ainda designado pelo seu nome em inglês, “soft - seat “.

Obtemos desta forma um índice de vazamento praticamente nulo (da ordem de algumas bolhas de ar por minuto). Por exemplo numa válvula de 2” admite-se como permissível um vazamento de 3 bolhas de ar por minuto ou 0,40 cm3 / min.

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SENAI 340

Figura. Instalação de uma válvula globo sede simples

Em algumas aplicações importantes as válvulas podem ter como acessório um volante manual para acionar a válvula em caso de falha do posicionador ou do atuador pneumático da válvula.

Este volante aciona mecanicamente a haste da válvula e quando aciona a abertura da válvula, não conseguimos acionar a válvula pneumaticamente pois a mesma fica travada mecanicamente. A figura a seguir mostra um exemplo.

Figura. Instalação de uma válvula com volante manual

Válvula Globo Sede Dupla

É provavelmente mais usada que a de sede simples. Ela foi desenvolvida para atender a necessidade de uma válvula que poderia ser posicionada com força relativamente pequena do atuador.

Uma válvula globo reversível de sede dupla é mostrada a seguir. Se as 2 sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na

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SENAI 341

posição fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a válvula. Na realidade, os orifícios são construídos com 1/16” a 1/8” um maior que o outro, no diâmetro. Esta construção é chamada “ semi-balanceada “ e é usada para possibilitar que o obturador menor passe através do orifício maior na montagem.

Figura.

É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”, e com conexões das extremidades rosqueadas ( até 2” ), flanqueadas ou soldadas, nas classes 150,300,600,900 e 1.500 lbs.

A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto à válvula sede simples.

Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão, conforme norma ANSI B16.104 a válvula tipo standard, possui um índice de vazamento Classe II.

O fato de esse vazamento ser maior que na sede simples se deve a dois fatores:

Por ser semibalanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem).

Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios simultaneamente, principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no obturador.

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SENAI 342

Figura. Instalação de uma válvula globo sede dupla

Válvula Globo Tipo Gaiola

Válvula de concepção antiga onde possue seus internos substancialmente diferente da globo convencional. O amplo sucesso deste estilo de válvula está totalmente fundamentado nos seguintes aspectos:

• facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a operação na própria instalação;

• alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia do obturador;

• capacidade vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional;

• menor peso das partes internas, resultando assim um menor vibração horizontal conseqüentemente menor ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas;

• não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo convencionais.

Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluído quando necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado.

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SENAI 343

Figura.

Válvula Globo Tipo Gaiola Sede Simples Não Balanceada

Neste tipo de válvula o fluído entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola. Apresenta apenas guia na gaiola, trata-se de um tipo não balanceado como a globo convencional, pois a força do fluído tende a abrir a válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisar de uma grande força de atuação.

Figura. Válvula Gaiola Sede Simples Não Balanceada

Apresenta um vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão, quando totalmente fechada ,enquadrada na Classe IV. Fabricada em diâmetros de 1/2” até 6” nas classes de 150,300 e 600 lbs.

As conexões das extremidades podem ser rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas.

Válvula Globo Tipo Gaiola Sede Simples Balanceada

Neste tipo de válvula o obturador é balanceado dinamicamente, devido ao orifício interno no obturador, que faz com a pressão do fluído comunique-se com ambos o lado do obturador, formando-se assim um balanceamento de forças de atuação neste caso do que no anterior sede simples. O fluído neste tipo de válvula entra por cima e não apresenta uma boa vedação, permitindo um vazamento de até 0,5% da máxima capacidade de vazão, estando a mesma classificada na Classe II.

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SENAI 344

Fabricada em diâmetros de 3/4” até 6” nas classes 150, 300 e 600 lbs, podendo suas conexões serem rosqueadas ( até 2” ), flangeadas ou soldadas.

Figura. Válvula Gaiola Sede Simples Balanceada

Figura. Instalação de uma válvula gaiola balanceada

Válvula de Controle Tipo Diafragma ou Saunders

Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluídos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. A válvula de controle tipo diafragma consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento. Possui como vantagem um baixo custo, total estanqüeidade quando fechada, já que o assento é composto por um diafragma de borracha, e facilidade de manutenção.

Como desvantagem não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado em diâmetros de até 6” para efeito de aplicação em controle modelado.

Outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou Teflon), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluído em função do material do diafragma.

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SENAI 345

Figura. Válvula Tipo Diafragma

Válvula de Controle Tipo Guilhotina

Trate-se de uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose, porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingindo algumas outras aplicações em indústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimentos de água, etc.

Figura.

Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluídos pastosos, tais como massa de papel.

Fabricada em diâmetros de 2” até 24” com conexões sem flanges para ser instalada entre par de flanges da tubulação.

Válvula de Controle 3 vias

São que podem ser válvulas utilizadas para fazer misturas ou desvios de produtos, pois possuem 3 passagens que possibilitam esta aplicação. A figura a seguir mostra um exemplo.

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SENAI 346

Figura. Instalação de uma válvula 3 vias

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Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste

Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas denominadas de rotativas. Basicamente estes tipos de válvulas apresentam vantagens e desvantagens. nas vantagens podemos considerar baixo peso em relação aos outros tipos de válvula, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custo inicial mais baixo, etc.

Dentre as desvantagens citamos a limitações em diâmetros inferiores a 1” ou 2” e quedas de pressão limitadas principalmente em grandes diâmetros.

Válvula de Controle tipo Borboleta

Figura.

Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial. São muito usadas em tamanhos maiores que 3” e são fabricadas em tamanhos tão pequenos quanto 1”. A válvula borboleta consiste de um corpo cilíndrico com um disco solidário a um eixo instalado perpendicularmente ao eixo do cilindro. O corpo cilíndrico pode ser flangeado em ambas as extremidades ou fabricado na forma de um anel sólido. Este último tipo é instalado em uma tubulação entre 2 flanges.

Quando as válvulas borboletas são atuadas por atuadores convencionais pneumáticos, o movimento alternativo da haste é usualmente transformado em movimento rotativo através de um simples jogo de alavancas.

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SENAI 348

Figura. Instalação de uma válvula borboleta

Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro do furo do cilindro e usualmente o diâmetro interno da tubulação na qual estão instaladas e a única obstrução é o disco. Em tamanhos grandes elas são mais econômicas do que as válvulas globo. Sua aplicação, entretanto, é limitada pelo fato de requerer força considerável para sua operação em altas pressões diferenciais. Sua característica de vazão não é adequada para algumas aplicações.

As forças de torção no eixo de uma válvula borboleta aumentam com o abrir da válvula, atingindo um valor máximo em um ponto entre 70 a 75o a partir de uma perpendicular à linha, após a qual tende a diminuir.

Para maior estabilidade na operação de estrangulamento, a válvula borboleta não é aberta a um ângulo superior àquele em que a curva muda sua inclinação. Isto limita a abertura máxima em cerca de 75o da vertical. Alguns fornecedores fabricam a válvula de tal maneira que haja o fechamento total do disco com 15o da perpendicular. Isto resulta em uma rotação efetiva de 60o, que é o recomendado. O vazamento normal para uma válvula com disco e sede de metais e em torno de 0,5 a 1% da capacidade total. Sedes de elastômeros dão fechamento estanque.

Entretanto devem ser aplicadas com cuidado em serviços de estrangulamento com atuadores pneumáticos de diafragmas, desde que elas tenham a tendência de emperrar na posição fechada.

Figura. Abertura da válvula borboleta

Válvula de Controle Esfera

Inicialmente a válvula de controle tipo esfera encontrou a sua principal aplicação na indústria de papel e celulose, face às características fibrosas de determinados fluídos nesse tipo de processo industrial. Porém a sua utilização tem apresentado

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SENAI 349

uma crescente introdução em outros tipos de processos, tanto assim que é recomendado para trabalhar com liquidas viscosos, corrosivos e abrasivos além de gases e vapores.

Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque, constituindo-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas condições de desempenho de sua principal função, (isto é, prover uma adequada ação de controle modulado) permite, ainda uma total estanqüeidade quando totalmente fechada.

Figura.

O corpo da válvula e do tipo bipartido (para possibilitar a montagem dos internos), sendo que a esfera gira em torno de dois anéis de Teflon ( construção padrão ) alojados no corpo e que fazem a função de sede. Possibilita a passagem do fluído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possui um curso total de 90º.

Figura.

Tipos de guia do obturador na válvula esfera

O seu castelo é integral ao corpo e até 6” é guiada superiormente e na sede; de 8” em diante a guia é superior e inferior e nas sedes.

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SENAI 350

A válvula esfera é a de todas a de maior capacidade de fluxo, devido a sua passagem ser praticamente livre sem restrições. Em relação ao tipo globo, chega a alcançar de 3 a 4 vezes maior a vazão.

Este tipo de válvula apresenta, (assim como também a válvula borboleta), em função da característica geométrica dos seus internos, uma alta tendência a cavitar e a atingir condições de fluxo crítico a relativos menores diferencias de pressão do que os outros tipos de válvulas.

OBSERVAÇÃO: Cavitação é a transformação de parte do líquido em vapor durante uma rápida aceleração deste através do orifício da válvula, e o subseqüente retorno das bolhas de vapor à condição líquida.

Figura.

Dinamicamente, as forças provenientes do fluído tendem sempre a fechar a válvula e portanto é uma válvula não balanceada, da mesma forma que acontece à válvula borboleta.

Figura. Instalação de uma válvula esfera

Válvula de Controle tipo Obturador Rotativo - Excêntrico

Idealizada originalmente para, basicamente, qualquer aplicação de processo, tem mostrado realmente vantagens em apenas alguns processos industriais, tais como papel e celulose e de forma genérica trata-se de uma válvula recomendada para

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SENAI 351

aplicações de utilidades, ou auxiliar. Possui corpo, com extremidade sem flanges, classe 600 lbs, sendo fabricada em diâmetros de 1” até 12” . O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do obturador. Tal particularidade de movimento excêntrico possibilita-lhe uma redução do torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluído entrando na válvula em qualquer sentido.

Figura.

Válvula Tipo Obturador Rotativo Excêntrico

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

O obturador possui guia dupla possibilitando, desta forma, uma resistência menor à passagem de fluxo do que a apresentada em outros tipos de válvulas de desenho semelhante.

Figura. Instalação de uma válvula camflex II

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SENAI 352

INTERNOS DAS VÁLVULAS

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

Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partes denominadas de internos representam o papel principal da válvula de controle, ou seja, produzir uma restrição variável à passagem do fluído conforme a necessidade imposta pela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão que passa e a abertura da válvula.

Figura.

Obturador

Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo obturando o orifício de passagem de modo a formar restrição variável ao fluxo.

Na válvula globo convencional, quer seja sede simples ou dupla o obturador é o elemento móvel da válvula que é posicionado pelo atuador da válvula para controlar a vazão. Em geral, a ação do obturador pode ser proporcional ou de 2 posições (on-off). Em controle proporcional, o obturador é posicionado em qualquer ponto intermediário entre aberto e fechado, sendo continuamente movido para regular a vazão de acordo com as necessidades do processo.

Obturadores Torneados

Obturadores duplos torneados devem ser guiados na base e no topo, enquanto válvulas de sede simples podem ser guiados no topo e na base ou somente no topo.

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SENAI 353

Figura.

Recomenda-se o uso de Obturadores torneados nos seguintes casos:

Líquidos sujos ou abrasivos

Quando o fluído controlado forma incrustações no plug.

Obturadores com entalhes em “ V ”

Desde que o obturador com entalhe em V sólido, é projetado para sair inteiramente da sede, eles são feitos com guias na base e no topo. Eles podem ser simples ou duplos. Devido à sua conformação lateral existe uma grande área do obturador sempre em contato com a superfície interna da sede e que possibilita uma menor vazão inicial quanto o obturador torneado, que possui uma vazão inicial maior, quando comparado ao obturador em entalhe em V sólido. Este último apresenta conseqüentemente maior rangeabilidade.

Figura.

Em tamanhos maiores ( 4” e maior ) os tipos com saia tendem a vibrar em altas freqüências quando sujeitos a altas velocidades de gás ou vapor. Esta vibração pode situar-se na faixa audível, produzindo assobio estridente e desagradável, ou pode ser supersônica. Em qualquer caso, a conseqüência final poderá ser a quebra das peças da válvula.

Para reduzir a tendência de vibração, costuma-se usar o obturador tipo sólido, entalhe em V , que possui maior massa e mais rigidez. São as seguintes as razões para uso do obturador em entalhe em V.

É o que melhor satisfaz as condições de escoamento percentual que é a característica mais usada.

Quando alta rangeabilidade é desejada, pois, este tipo de obturador proporciona vazão inicial menor.

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SENAI 354

Não deve ser usado

Quando o fluído controlado é erosivo ou muito sujo. Os cantos vivos do corte em V são atacados ou obstruídos, modificando a característica de controle.

Quando o fluído controlado forma incrustações no obturador.

Obturadores Simples Estriados ou Perfilados

Figura.

Obturadores simples estriados ou perfilados com guia somente no topo são muito usados em orifícios com diâmetro de 1” ou menos para aplicações de altas pressões.

Obturadores de Abertura Rápida

São usados em controle “Tudo ou Nada”, para fechamento de emergência, descargas, etc.. Podem eventualmente ser empregados em processos simples de alta sensibilidade (faixa proporcional até 5%), sem atraso de resposta, sob condições de carga e pressão estáveis e que exijam controle apenas entre 10 e 70% de abertura da válvula. Um processo com tal característica não é facilmente encontrado.

Figura.

Obturadores com Disco ou O-Ring

São usados em distribuição de gás dentro de uma indústria. São feitos, os discos, com borracha, Neoprene, Buna N, Silastic, Teflon, Kel F, Viton ou outro componente elástico e é fornecido com corpo de sede simples ou dupla, para controle proporcional ou tudo ou nada.

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SENAI 355

Figura.

Estes tipos de obturadores não são adequados para quedas de pressões superiores a 150 psi e a borracha, Neoprene e Buna N, não são recomendados para temperatura acima de 65ºC. Silastic, Teflon ou Kel-F, podem ser usados satisfatoriamente para temperatura tão altas quanto 200ºC. O Teflon e o Kel-F são resistentes a toda as corrosões químicas. Estes Obturadores possibilitam absoluta estanqüeidade do miolo da válvula.

Obturadores Tipo Gaiola

Os obturadores tipo gaiola, teve seu início de utilização por volta de 1940 em aplicações de alta pressão como no caso de produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira, etc...

Estando nos internos a única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, o perfeito tipo de guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças do fluído agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema de janelas, resulta nas 4 principais vantagens deste tipo de obturador:

Estabilidade de controle em qualquer pressão;

Redução do esforço lateral e atrito;

Possibilidade de estanqüeidade de grandes vazões a altas pressões com

atuadores normais;

Maior vida útil do chanfro da sede.

O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as área de assentamento e de restrição ou controle fazendo assim com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluído.

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SENAI 356

Figura.

Princípio de funcionamento da ação de controle (modulação e vedação ) dos internos tipo gaiola :

A- Sede Simples

B- Balanceada

O funcionamento da restrição e modulação provida por este tipo de válvula, é mediante o sistema de gaiola, em cujo interior desloca-se o obturador, como se fosse um pistão de cilindro. A gaiola possui um determinado número de passagens ou janelas, as quais distribuem uniformemente o fluxo ao redor do obturador.

Figura.

Tais janelas apresentam formatos caracterizados sendo elas, em conjunto com a posição relativa do obturador, que proporcionam a característica de vazão, ao invés de ser o formato do obturador como na globo convencional.

Anel de Sede

Anel circular montado no interior do corpo formando o orifício de passagem do fluxo.

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SENAI 357

Figura. Anel sede da válvula globo

Figura. Anel sede da válvula gaiola

CLASSE DE VAZAMENTOS

Existem normas internacionais que determina qual o máximo vazamento permitido quando a válvula estiver totalmente fechada. A seguir mostraremos esta tabela:

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SENAI 358

Classe de Vazamento

Definição da Classe Tipos de Válvulas

CLASSE I Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou IV, porém mediante acerto entre fabricante e usuário não há necessidade de teste

Válvulas listadas nas classes II, III e IV

CLASSE II Vazamento de até 0,5 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas Globo Sede Dupla, Válvulas Globo Gaiola balanceadas. Superfície de assentamento metal – metal

CLASSE III Vazamento de até 0,1 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas listadas como pertencentes a classe II, porém possuindo uma maior força de assentamento

CLASSE IV Vazamento de até 0,01 % da capacidade máxima de vazão

Válvulas Globo Sede Simples com assentamento metal – metal. Válvulas de Obturador Rotativo Excêntrico

CLASSE V Vazamento de até 5 x 10-4 cm3 por minuto de água, por polegada de diâmetro de orifício, por psi de pressão diferencial ou 5 x 10-12 m3 por segundo de água, por mm de diâmetro do orifício por bar de pressão diferencial

Válvulas instaladas na classe IV, porém utilizadas com atuadores superdimensionado para aumentar a força de assentamento.

Vazamento Máximo Permissível Diâmetro Nominal do orifício de

passagem em “ cm3 / min Bolhas / min

1 O,15 1 1 ½ 0,30 2 2 0,45 3

2 ½ 0,50 4 3 0,90 5 4 1,70 11 6 4,00 27

CLASSE VI

8 6,75 45

Válvulas Globo com assentamento composto ( soft seat ). Válvulas borboletas revestidas com sedes de elastômeros ou com anéis de vedação. Válvulas esferas com anéis de TFE. Válvulas diafragmas. Válvulas de obturador rotativo excêntrico com assentamento composto

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SENAI 359

CASTELO

O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas, é definido como sendo “ um conjunto que inclue, à parte através da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste “.Ele proporciona também um meio para montagem do atuador.

Normalmente o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e para casos de válvulas globo de pequeno porte, convenciona-se a utilização de castelo rosqueado devido ao fator econômico, em aplicações de utilidades gerais como ar, água, etc., como é o caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturas.

Os principais tipos são:

Normal

Aletado

Alongado

Com foles

Castelo Normal

É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura está entre -18 a 232oC. Esta limitação está imposta pelo material da gaxeta já que a sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima ao fluído.

Figura. Exemplo de castelo normal

Castelo Aletado

É usado quando a temperatura do fluído controlado é superior a 200oC .Deve ser suficiente para dar o abaixamento de temperatura indicado ou no máximo de 250oC

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SENAI 360

de resfriamento. No caso da válvula operar vapores condensáveis o aletamento não reduzirá a temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois uma vez atingida esta temperatura haverá condensação de vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituída por uma outra porção de vapor com temperatura mais elevada.

Figura. Exemplo de castelo aletado

Castelo Alongado

São usados para prevenir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas temperaturas. Devem ser usadas para temperatura inferiores a 5oC e devem ser suficientemente longos para que a temperatura das gaxetas não vá abaixo de 25oC.

Figura. Exemplo de castelo alongado

Castelo com Fole

São usados para fluídos radiativos ou tóxicos, servindo como um reforço das gaxetas. O fole é normalmente feito de uma liga resistente à corrosão e devem ser soldados à haste da válvula. Este sistema é limitado a pressões de aproximadamente 600 psi.

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SENAI 361

Figura. Exemplo de castelo com fole

CAIXA DE GAXETAS

Construção contida no castelo que engloba os elementos de vedação da passagem do fluído para o exterior através do eixo. A finalidade principal desta parte é impedir que o fluído controlado passe para o exterior da válvula. Serve ainda como guia da haste. Em geral o castelo é ligado por flanges ao corpo da válvula, podendo porém, ser rosqueadas. O castelo flangeado é preferível, do ponto de vista de manutenção e segurança.

De qualquer forma o castelo rosqueado só é aceitável em válvulas de 1/2”.

Figura.

Em válvulas com castelo flangeado, parafusos encastrados são aceitáveis até o padrão ASA 600 lbs. Para pressões maiores, parafusos passantes são recomendados.

A caixa de gaxetas deve comportar uma altura de gaxetas equivalente a seis vezes o diâmetro da haste.

Por motivos de segurança, a sobreposta flangeada é a mais recomendada, por permitir melhor distribuição de tensões sobre a haste e pelo perigo potencial que a sobreposta rosqueada oferece quando números insuficientes de fios estão engajados.

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SENAI 362

Gaxetas

Principais características do material utilizado para a gaxeta:

- devem ter elasticidade, para facilitar a deformação;

- produzir o mínimo atrito e

- deve ser de material adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluído de processo.

Os principais materiais de gaxetas são: Teflon e amianto impregnado.

Teflon (TFE)

É o material mais amplamente utilizado devido as suas notáveis características de mínimo coeficiente de atrito, e de ser praticamente inerte quimicamente a qualquer fluído. Devido as suas características, a gaxeta de Teflon não requer lubrificação externa e a sua principal limitação é a temperatura. Conforme visto na tabela a seguir.

A gaxeta de Teflon é formada de anéis em “V “ de Teflon sólido, e requer uma constante compressão para o seu posicionamento firme e compacto, provida por meio de uma mola de compressão.

Amianto Impregnado

É ainda um material de gaxeta bastante popular devido às características adicionadas às de alguns aditivos e à facilidade de manutenção e operação. Não sendo autolubrificante, o amianto utiliza-se impregnado com aditivos tais como Teflon, mica, Inconel, grafite, etc.. Os limites de uso em função da temperatura e fluídos para este tipo de gaxeta são dados na tabela a seguir .Este tipo de gaxeta é do tipo quadrada e comprimida por meio de prensa gaxeta. Requer lubrificação externa, com exceção ao amianto impregnado com Teflon.

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SENAI 363

Tabela 2. Limite de Temperatura para os diversos materiais da gaxeta, em função do tipo de castelo

Material da

gaxeta

Serviço

Pressões

Lubrificação

Tipos de Castelo

Extra Longo

Teflon Limitado àqueles fluídos que não atacam o Teflon e aço inox tipo 3/6 ( material da mola da gaxeta)

Líquidos e Gases secos - 1500 psi Vapor - 250 psi

Não

-18 a 232

-45 a 430

-268 a

430

Amianto c/ Teflon

Todo exceto Álcalis quentes e ácido hidrofluorídrico quente

Líquidos e Gases secos - 6000 psi Vapor - 250 psi

Opcional, porém

recomendada

-18 a 232

-45 a 430

-268 a

430

Amianto Grafitado com fios de Inconel

Vapor ou Petróleo

Qualquer fluído -6000 psi

Sim

-18 a 232

-45 a 540

-45 a 540

Recentemente surgiu um novo material de gaxeta denominado de Grafoil. Trata-se de material à base de grafite e comercializado em fitas flexíveis de vários tamanhos. É um material praticamente inerte quimicamente e suporta temperaturas altíssimas (o ponto de volatilização é de 3650oC). Seu único inconveniente reside no fato de que produz um certo travamento da haste, já que por ser fita, ela deve ser enrolada ao redor da haste e socada para compactá-la formando diversos anéis.

CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO

A escolha da adequada característica de vazão de uma válvula de controle, em função da sua aplicação em um determinado processo, continua sendo um assunto não somente bastante complexo, como principalmente muito controvertido. Inúmeros trabalhos publicados por eminentes pesquisadores sobre o assunto não foram o suficiente para termos uma solução teórica, digna de total crédito. Os problemas a serem resolvidos são realmente complexos começando pelo próprio dilema de qual deve ser a fração da queda de pressão total do sistema que deve ser absorvida pela válvula de controle. E ainda, face às interferências instaladas no sistema, como a própria tubulação, desvio, reduções, equipamentos, malha de controle, etc.

O objetivo agora é o de definir diversos parâmetros principais, explicar as suas diferenças e dar algumas regras práticas que possam auxiliar na escolha da correta característica de vazão de uma válvula de controle.

Porém salientamos que a seleção da característica de vazão de uma válvula não é um problema apenas relativo à válvula mas também ao sistema de controle completo e instalação.

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SENAI 364

Característica de Vazão

Como tivemos a oportunidade de observar no item referente aos internos da válvula, o obturador, conforme se desloca, produz uma área de passagem que possue uma determinada relação característica entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão que escoa através da mesma. A essa relação deu-se o nome de característica de vazão da válvula.

Por outro lado, sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula varia com a pressão diferencial através dele e portanto tal variação da pressão diferencial deve afetar a característica de vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de características de vazão: Inerente e Instalada

A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial através da válvula. Em outras palavras, poderíamos dizer que se trata da relação entre a vazão através da válvula e o correspondente sinal do controlador, sob pressão diferencial constante, através da válvula.

Por outro lado, a característica de vazão instalada é definida como sendo a real característica de vazão, sob condições reais de operação, onde a pressão diferencial não é mantida constante.

Do fato da pressão diferencial, através da válvula num determinado sistema de controle de processo, nunca manter--se constante, temos que, quando da seleção da característica de vazão, pensar na característica de vazão instalada. As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle.

A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto que, a instalada é a prática.

Características de Vazão Inerentes

A característica de vazão é proporcionada pelo formato do obturador (caso das válvulas globo convencionais), ou pelo formato da janela da gaiola (caso das válvulas tipo gaiola) ou ainda pela posição do elemento vedante à sede (caso das válvulas borboletas e esfera).

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SENAI 365

Figura.

Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerentes:

a) Linear

b) Igual porcentagem (50:1)

c) Parabólica modificada

d) Abertura rápida.

Figura.

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SENAI 366

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA DAS VÁLVULAS DE CONTROLE

A característica de vazão instalada é definida como sendo a real característica de vazão, sob condições reais de operação, onde a pressão diferencial não é mantida constante. De fato a pressão diferencial num determinado sistema de controle de processo, nunca se mantém constante. As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle. A característica de vazão inerente é teórica, enquanto que a característica de vazão instalada é a real.

lnstalada a válvula de controle de processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alteração depende do processo em função do tipo de instalação, tipo de fluido, etc. Nessa situação a característica de vazão inerente passa a denominar-se característica de vazão instalada. Dependendo da queda de pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema, a característica de vazão pode alterar-se consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura rápida, enquanto que as características inerentes iguais porcentagem, tendem a linear conforme podemos ver pelas figuras a seguir.

Figura.

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SENAI 367

Figura. Exemplo de aplicação de uma válvula com característica inerente =% onde o ∆p

varia

Figura. Exemplo de aplicação de uma válvula com característica inerente linear onde o

∆P é constante

Alcance de Faixa da Válvula

O alcance de faixa de uma válvula, pode ser definido como sendo a relação entre a vazão máxima e mínima controláveis. Ele é obtido dividindo-se o coeficiente de vazão (em porcentagem) mínimo efetivo ou utilizável pelo coeficiente de vazão (em porcentagem) máximo efetivo ou utilizável.

Da mesma forma que a característica de vazão, o alcance de faixa se define como alcance de faixa inerente e alcance de faixa instalado.

O alcance de faixa inerente é determinado em condições de queda de pressão constante através da válvula, enquanto que, o alcance de faixa instalado obtém-se em queda de pressão variável.

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SENAI 368

O alcance de faixa inerente varia de válvula para válvula em função do estilo do corpo. Na válvula globo é da ordem de 50:1, na esfera de 50:1 até 100:1, na borboleta 20:1, etc..

O alcance de faixa instalado pode também ser definido como sendo a relação entre o alcance de faixa inerente e a queda de pressão.

COEFICIENTE DE VAZÃO (CV)

O termo CV , por definição , é a quantidade de água a 60 o F medida em galões , que passa por uma determinada restrição em 1 minuto , com uma perda de carga de 1 psi .

Ex : Uma válvula de controle com CV igual a 12 , tem uma área efetiva de passagem quando totalmente aberta , que permite o escoamento de 12 GPM de água com uma pressão diferencial de 1 psi .

Basicamente é um índice de capacidade , com o qual estimamos rápida e precisamente o tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos .

Figura. O CV de uma válvula define o diâmetro do anel sede e do obturador

Quando fizermos a troca de uma válvula por outro devemos observar se o CV e a característica de vazão das mesmas são iguais para que a válvula instalada possa funcionar corretamente.

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SENAI 369

POSICIONADORES

Posicionador é o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador da válvula de controle para posicionar corretamente o obturador em relação à sede da válvula . O posicionador compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao atuador da válvula a pressão de ar necessária para colocar o obturador na posição correta .

Figura.

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SENAI 370

11.1 - Principais aplicações do posicionador em válvulas

• Vencer o atrito na haste da válvula quando a gaxeta é comprimida com grande pressão , para evitar vazamento do fluido .

• Para válvulas de sede simples , recoloca a válvula na abertura correta , quando a pressão exercida no obturador variar .

• Modificar o sinal do controlador . O posicionador , por exemplo , recebe um sinal de 3 a 15 psi do controlador e emite um sinal de 6 a 30 psi para o atuador .

• Aumentar a velocidade de resposta da válvula . Usando-se um posicionador , eliminam-se : o atraso de tempo provocado pelo comprimento e diâmetro dos tubos de ligação entre a válvula e o controlador e volume do atuador .

• Inverter a ação do controlador .

Limitações do uso do posicionador

As aplicações anteriores são muito usadas , entretanto , em processos rápidos , o uso do posicionador pode ser prejudicial para a qualidade do controle , principalmente no controle de vazão . Quando necessário , podem ser usados boosters para pressão ou volume ao invés do posicionador .

Figura.

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SENAI 371

Figura. Exemplo de instalação de um posicionador pneumático

Figura. Exemplo de instalação de um posicionador eletropneumático

POSICIONADOR INTELIGENTE

O posicionador inteligente é um equipamento de última geração microprocessado e totalmente programável.

Uma das diferenças entre os posicionadores inteligentes e os outros é a eliminação do link mecânico, sendo que a realimentação, ou seja, a posição da haste da válvula de controle é feita através do efeito “Halls” (campo magnético).

Existem basicamente três formas de programar o instrumento: localmente no seu visor, através de um Hand Held (programador) ou através de um software de programação.

O posicionador inteligente permite através de sua programação obtermos as seguintes informações:

• Leitura da posição da válvula, sinal de entrada e pressão no atuador

• Comandos de posição da válvula, configuração e auto calibração

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SENAI 372

• Auto ajustes

• Tempo de fechamento e abertura, No. de ciclos

• Gráficos de pressão x posição

• Histórico da configuração

• Caracterização de fluxo através do programa de came: linear, abertura rápida etc

• Limites de posição

A seguir citamos algumas vantagens dos posicionadores inteligentes:

• Eleva a confiança nas manutenções preventivas

• O melhor posicionamento e controle dinâmico da válvula aumentam o rendimento do processo.

• Reduz as variações no processo

• Calibração, configuração e gerenciamento do posicionador dentro da sala de controle

• Posicionamento e resposta da válvula melhorados

Figura. Posicionador inteligente

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SENAI 373

Figura. Exemplo do posicionador inteligente

Figura. Exemplo de instalação de um posicionador inteligente

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SENAI 374

Inversores de Freqüência Introdução

O controle de velocidade dos motores é uma necessidade que surgiu, praticamente,

junto com a construção das primeiras máquinas que os utilizavam. Motores elétricos

trifásicos e motores CC são amplamente utilizados em sistemas de transporte,

bobinagem (papel, tecidos, metais, etc..), elevadores, bombas, compressores,

ventiladores e exaustores, sistemas de robótica, misturadores, etc.

De modo genérico, os termos Conversor e Inversor são utilizados quando nos referimos a controle de velocidade de motores, sejam estes de Corrente Contínua (CC) ou alternada (CA). Na maioria das vezes o termo Conversor se aplica a um equipamento que aciona motores CC e o termo Inversor, a equipamentos que acionam motores CA. Na atualidade, praticamente todas as aplicações industriais podem ser efetuadas utilizando-se motores de indução trifásicos (MIT). O grande trunfo dos motores CC residia na precisão que se podia obter no controle de sua velocidade (algo em torno de 0,01%); essa precisão pode ser obtida, atualmente, utilizando-se MIT com controle vetorial, o que se viabilizou devido à evolução da eletrônica. Desse modo, os motores CC têm sido substituídos, devido ao seu alto custo. Variação eletrônica de velocidade Neste método a variação de velocidade é conduzida por um elemento externo ao

motor, ou seja, por um circuito eletrônico, como um inversor de freqüência ou um

conversor CA/CC.

Para a variação de velocidade do MIT devemos observar a sua equação de velocidade, que nos dá três possibilidades: n = (120.f.(1-s)) p onde: f = freqüência p = número de pólos s = escorregamento

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SENAI 375

Variação do número de pólos É obtida com motores especiais chamados Dahlander, que são motores geralmente com duas ou quatro velocidades múltiplas construídos especialmente para esse fim. Praticamente, não há perdas de potência se compararmos esses motores com os outros sistemas de variação de velocidade citados, porém há pouca possibilidade de variação, limitando-se a duas ou quatro. Variação do escorregamento É conseguida através da variação da tensão rotórica. Obtém-se, com isso, uma redução de velocidade no motor. Os principais problemas que ocorrem são relativos ao aumento das perdas e à diminuição no conjugado (para 70% da tensão nominal temos uma redução de 50% no conjugado nominal). Essas limitações reduzem as aplicações basicamente a: • partida lenta de máquinas através de chaves compensadoras ou "soft-starter' (partida suave) • regulagem de velocidade de ventiladores e bombas. O soft-starter é um equipamento com um circuito eletrônico que faz o mesmo que a chave compensadora com auto-transformador, ou seja, através do chaveamento de semicondutores é aplicada uma tensão reduzida no motor, limitando os picos de corrente em sua partida. Uma vez em regime de funcionamento contínuo o soft-starter é desconectado do circuito através de um circuito de comando (com contatores). Variação da freqüência da tensão de alimentação O mais eficiente método de variação e controle de velocidade de MIT, com menores perdas e faixa mais ampla de variação (permite alcançar - com relativa perda de torque - até 5 vezes a velocidade nominal do motor) consiste na aplicação, ao motor, de uma fonte de tensão com freqüência variável. Pelo equacionamento do MIT podemos relacionar o conjugado desenvolvido (C) ao fluxo magnético (φm) e à corrente rotórica (I rotor):

C = φm.I rotor

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SENAI 376

Por sua vez, o fluxo magnético é diretamente proporcional à tensão aplicada no estator (V1) e inversamente proporcional à freqüência dessa tensão (f1), do que obtemos a relação : φm = V1 f1 Concluímos, então, que para podermos variar a velocidade do MIT mantendo o conjugado constante devemos manter constante a relação tensão/freqüência. Como essa relação é um número, ou seja, é um valor escalar, o inversor que utiliza esse princípio (o de manter a relação V/Hz constante) é chamado de inversor escalar. Classificação dos inversores de freqüência Um inversor de freqüência converte a tensão da rede de alimentação, que tem amplitude e freqüência fixas, em outra tensão com amplitude e freqüência variáveis. Essa conversão pode ser feita de modo direto, utilizando-se cicloconversores, ou de modo indireto, utilizando-se inversores com circuito intermediário. Inversores diretos – Cicloconversores

Figura 95 - Esquema e formas de onda do ciclo conversor

O inversor direto é constituído por um circuito em que a tensão da rede é comutada por 6 pontes trifásicas que alimentam cada uma das fases da carga, ou seja, cada fase é conectada a duas pontes em antiparalelo (na figura temos pontes monofásicas) sendo que cada ponte trabalha com um semiciclo da tensão senoidal, de forma que a tensão

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SENAI 377

aplicada à carga é resultado do recorte das tensões trifásicas de alimentação. A corrente resultante na carga terá sua freqüência discretamente alterada, produzindo o efeito desejado. Esse conversor só é aplicado para freqüências de 0 a 20Hz, pois a partir disso a corrente resultante terá uma distorção excessiva, fugindo do formato senoidal. Algumas aplicações : • laminadores de tubo com motores síncronos a baixa velocidade (12 a 20 rpm ); • refundição de escórias, onde freqüências de 0 a 10 Hz são necessárias; • moinhos de cimento, com motores síncronos de baixa rotação (velocidade até 15 rpm), com elevado número de pólos. Inversores indiretos Basicamente, temos três tipos de inversores de freqüência indiretos, os quais são classificados de acordo com as etapas de retificação e inversão que utilizam.

Inversor com fonte de tensão por Modulação de Largura de Pulso ( PWM-VSI - Pulse Width Modulation - Voltage Source

Figura - Esquema do inversor de freqüência com tecnologia PWM-VSI

A principal característica deste sistema é a utilização de modulação do tipo PWM (Modulação por Largura de Pulso) feita a partir da fonte de tensão Vd. Essa fonte de tensão é formada por uma etapa retificadora, que pode ser trifásica ou monofásica, dependendo da potência da carga. A tensão da fonte é, então, modulada de acordo com a freqüência e potência que se deseja no motor. Algumas características e técnicas de geração de PWM serão apresentadas e discutidas na próxima unidade.

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SENAI 378

Inversor com fonte de tensão tipo onda quadrada (square-wave VSI), com notificação por tiristores.

Figura - Esquema do inversor de freqüência com tecnologia PWM de onda quadrada ("six-steps”) Este foi um dos primeiros tipos de inversor com variação da freqüência da tensão de saída construídas. A tensão fornecida ao motor tem sua freqüência variada pelo chaveamento adequado dos semicondutores de potência, formando uma onda quadrada com freqüência variável. Para se variar a amplitude desta tensão utiliza-se uma ponte retificadora controlada ou semicontrolada. Este circuito é chamado de "lnversor PWM de onda quadrada", ou ainda, "lnversor six-steps". Inversor com fonte de corrente (CSI ~ Current Source inverter) com retificação por tiristores.

Figura - Inversor com fonte de corrente (CSI) Nessa topologia a corrente fornecida ao motor é provida por um indutor, que funciona como uma fonte de corrente.

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SENAI 379

A comutação da corrente é efetuada por tiristores (SCRS geralmente), que possuem

circuitos adicionais (formados por diodos e capacitores) para o desligamento dos

mesmos.

Essa configuração foi bastante utilizada no passado, uma vez que os semicondutores não suportavam grandes valores de corrente; com o desenvolvimento dos transistores de potência MOSFETS e IGBTS se viu restrita a aplicações de potências muito elevadas. Um de seus principais problemas é que o inversor deve ser construído especificamente para um tipo de carga, com pouca mobilidade de troca posterior à instalação. Comparação entre inversores de freqüência indiretos Existe uma tendência mercadológica muito grande de se utilizarem os inversores tipo PWM-VSI devido a sua fácil adaptação a quaisquer tipos de motores de indução, A seguir é apresentada uma tabela onde se comparam as principais características dessas três topologias de inversores. Apesar da similaridade entre os circuitos existem algumas diferenças, as quais podem determinar a utilização de um determinado circuito ou de outro. A comparação é realizada através dos símbolos "-" indicando um atributo negativo e "+" para atributos positivos. Inversores PWM Para um bom entendimento do funcionamento de um inversor de freqüência PWM-VSI analisaremos, inicialmente, o funcionamento de um circuito chamado "inversor six-steps", onde são geradas correntes trifásicas em um MIT utilizando-se um circuito básico no qual os semicondutores de chaveamento são substituídos por chaves. Analisaremos, também, algumas das principais técnicas de geração por modulação do tipo PWM. Inversor Six-steps (seis-passos)

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SENAI 380

Para um bom entendimento de como se procede a geração das tensões trifásicas através dos semicondutores de chaveamento é conveniente estudarmos o circuito da figura abaixo :

Figura - Circuito de chaveamento para carga ligada em estrela

Esse circuito possui 8 configurações possíveis de operação, das quais 6 são estados ativos e as duas restantes, estados neutros (chaves 1,3 e 5 ou 4, 6 e 2 fechadas), daí o nome "six-steps". As 6 combinações, ou passos, possíveis para as chaves estão descritas a seguir, passo-a-passo. IMPORTANTE : Ao analisar a formação das tensões analise, primeiramente, o circuito e depois verifique a construção do gráfico nas páginas subseqüentes. Para uma melhor compreensão, analise a formação das tensões no circuito e verifique como estas são indicadas em seu respectivo gráfico, passo a passo:

Figura - Primeira combinação

A seguir analisamos a formação dos valores de tensão nas cargas das fases a, b e c:

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SENAI 381

Figura - Circuito simplificado

Figura - Cálculo das tensões sobre as cargas

Deste modo podemos determinar as tensões para os outros cinco passos confeccionando, então, o gráfico das tensões de linha.

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SENAI 382

Figura - Segunda combinação

Figura - Terceira combinação

Figura - Quarta combinação

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SENAI 383

Figura - Quinta combinação

Figura - Sexta combinação

Técnicas de Modulação por Largura de Pulso (PWM) A Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation) foi primeiramente desenvolvida e aplicada em inversores estáticos em meados de 1960, quando se dispunha de chaves eletrônicas relativamente lentas e o transistor era um componente novo não apresentando, ainda, boas características para chaveamento. Desde então foram desenvolvidas várias técnicas para implementação de PWM de modo a aproveitar o desenvolvimento tecnológico da eletrônica, quer seja no aperfeiçoamento dos semicondutores de chaveamento (dos GTOS e SCRS aos MOSFETS de potência, IGBTS e MCTS), quer seja no aumento da faixa de integração (componentes LSI-Large Scale/Integration e VLSI~Very Large Scale/Integration), permitindo a existência de circuitos mais complexos em um volume menor.

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SENAI 384

Por que utilizar PWM ? Para resolver o problema da variação do valor da tensão (a idéia é manter a relação V/f constante), fazendo com que os degraus do six-steps tenham duração variável (duty-cicle , ou ciclo de trabalho variável), teremos no motor um valor menor ou maior de tensão, dependendo do período em que os semicondutores de chaveamento permaneçam ligados. A figura a seguir ilustra a forma de onda de tensão aplicada ao motor e a componente fundamental de corrente (tracejada) resultante da ação da indutância do motor.

Figura - Modulação para geração de corrente senoidal

Note que as áreas das partes 1, 2 e 3 estão em ordem crescente até atingir o pico da

senóide, quando então decrescem até que na passagem da senóide por zero temos

duas áreas (número 0) iguais, porém com sentidos opostos, entregando ao motor uma

quantidade de energia e retirando-a logo em seguida, o que gera como resultante uma

corrente nula. A partir desse momento as áreas 1, 2 e 3 se repetem, porém com sentido

oposto ao do primeiro semiciclo, gerando, então, o semiciclo negativo da corrente

senoidal no motor.

A seguir veremos algumas técnicas de modulação tipo PWM propostas na literatura técnica, atendo-nos às mais utilizadas. Natural Sampling ( Amostragem natural ) É uma técnica que pode ser facilmente implementada com circuitos analógicos. Os períodos de desligamento são definidos pelos pontos de cruzamento de uma onda triangular (portadora) com uma onda senoidal de amplitude "m" (chamada de índice de

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SENAI 385

modulação) variável. O número de ondas triangulares existentes por período da onda senoidal define o número de pulsos resultantes na saída. Na relação a seguir podemos definir o índice da portadora "n”: n = número de triângulos da portadora ciclo da senóide A seguir podemos visualizar uma senóide na freqüência de 60 Hz sendo mostrada por uma onda triangular. Podemos calcular a freqüência de chaveamento multiplicando "n" pela freqüência da senóide. Neste caso obteremos, aproximadamente, 1 kHz. Essa freqüência de chaveamento, em alguns inversores mais modernos, pode ser variada em função da aplicação do conjunto inversor-motor-carga. Fchav. = 60 . 18 = 1080 Hz

Figura - Obtenção do sinal PWM "natural sampling"

Quando utilizamos mais pulsos por ciclo (aumentando a freqüência de chaveamento), obtemos melhores resultados, ou seja, há redução do nível de harmônicas, reduzindo o torque pulsante em baixas rotações e reduzindo o "zumbido" audível que, além de poluente sonoro, representa perda de energia. Essa mudança está relacionada com o tipo de chave eletrônica utilizada. A seguir vemos as formas de onda de corrente para índices de modulação n = 9 e para n=4,5:

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SENAI 386

Figura - Modulação PWM "regular sampling". Current controlled PWM ( PWM controlada por corrente ) Esses dois tipos de modulação citados (regular e natural sampling) podem ser inseridos no mesmo grupo pois estabelecem um padrão de tensão, não controlando a corrente no motor. A qualidade da corrente no motor depende, então, da qualidade da modulação adotada (freqüência e índice de modulação). Uma abordagem mais recente (e que possui muitas variantes) é a chamada Current Controlled PWM . Nessa técnica parte-se de um perfil desejado de corrente, a partir do qual controla-se o chaveamento. Essa corrente é devidamente monitorada por sensores. Desse modo não se tem um perfil definido de tensão mas um perfil de corrente de acordo com as necessidades do motor. O controlador analisa a corrente das três fases separadamente, a partir de valores pré-determinados. Um exemplo de Current Controlled PWM é implementado por um controlador de histerese. Basicamente temos uma senóide de referência, que representa o valor desejado de corrente para determinada situação de conjugado e velocidade; são estabelecidos dois limites (inferior e superior, que definem a histerese), os quais determinam a largura e a duração dos pulsos, como podemos ver na figura 111.

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SENAI 387

Figura - "Current controlled PWM" com controlador de histerese. Características gerais dos inversores A seguir veremos alguns circuitos típicos e características encontradas na maioria dos inversores disponíveis no mercado. De maneira geral, todo equipamento disponível atualmente prevê uma série de facilidades programáveis através de painel no próprio equipamento ou, em alguns casos, via software prevendo, também, conexões com outros dispositivos como, por exemplo, CLPS (Controladores Lógicos Programáveis ). Circuitos por malha aberta e por malha fechada

Tratando-se de circuitos de controle poderíamos ter circuitos operando em malha aberta,

como no diagrama a seguir, porém veremos por que nenhum fabricante utiliza esse

arranjo simples.

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SENAI 388

Figura - Inversor PWM por malha aberta. A parte de potência já foi discutida anteriormente. A novidade está na parte de controle, que é responsável pelo controle dos semicondutores de potência. De acordo com a figura, temos : 1 - Referência de freqüência: fornece o set point, ou seja, o valor desejado de freqüência, que pode vir de um ajuste manual feito pelo operador ou de um sistema automático como um CLP (Controlador Lógico Programável) ou um CNC (Comando Numérico Computadorizado), por exemplo. 2 - Rampa de aceleração e frenagem: determina o tempo que o motor levará para atingir uma determinada velocidade em aceleração ou desaceleração (frenagem). Normalmente esses valores podem ser setados na instalação do equipamento e dependem do motor e da inércia da carga acionada. Cargas com alto momento de inércia requerem uma rampa mais lenta de aceleração/frenagem; já para cargas com baixo momento de inércia podemos ter uma rampa mais acentuada. 3 - Curva Volts/Hz: determina a relação escalar já discutida anteriormente, permitindo que o motor mantenha o torque constante desde baixas freqüências até sua freqüência nominal. 4 - Síntese do sinal PWM: esse bloco atua de acordo com os valores fornecidos pelos blocos 2 e 3, atuando nas chaves T1 a T6 de acordo com uma das técnicas já discutidas de geração de PWM. As chaves T1 a T6 mais utilizadas atualmente para motores de médio porte são os IGBTS. No entanto, há alguns problemas com esse arranjo como, por exemplo : - falta de controle sobre o escorregamento (slip): o motor pode estar trabalhando com altos níveis de escorregamento, o que pode ocasionar seu bloqueio. - caso ocorra algum problema com o motor (curto-circuito, sobrecarga), como seria feita a proteção das chaves eletrônicas ? Por esses motivos o arranjo por malha aberta não é utilizado.

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SENAI 389

O diagrama a seguir procura solucionar esses problemas mostrando o arranjo mais encontrado comercialmente.

Figura - Esquema do Inversor com realimentação de corrente e tensão

Neste esquema, que utiliza malha fechada, temos duas realimentações: Corrente: pode ser feita por um transformador de corrente, atuando na síntese do sinal PWM de acordo com a carga aplicada ao eixo do motor efetuando, ainda, a proteção do motor quanto a sobrecargas e curto-circuitos. Esse sinal também atua na rampa de aceleração/frenagem, evitando que o motor opere com alto valor de escorregamento, podendo travar e queimar o enrolamento do estator. Tensão: a tensão do Link DC é monitorada. Quando ocorrem frenagens em tempos muito curtos a tensão no Link sobe rapidamente. Com a realimentação aumenta a taxa de frenagem, fazendo com que a tensão no Link fique constante. Algumas sofisticações podem ser facilmente acrescentadas a esse circuito básico. As mais comuns são : reversão eletrônica: invertendo-se os sinais de comando de duas fases pode-se inverter o sentido de rotação do motor; resistor de frenagem: para se limitar a tensão no Link pode-se inserir um resistor de frenagem, devendo ser previsto um sistema de controle para o mesmo. Considerações para conexão de inversores a um MIT

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SENAI 390

Existem alguns pontos a se considerar quando se conecta um inversor de freqüência a um motor trifásico. Analisaremos alguns deles a seguir.

Limitação de potência

Como visto anteriormente, o fluxo magnético depende diretamente do valor da tensão aplicada e inversamente da freqüência dessa tensão, ou seja : φm = V1 (7) f1 Desta equação podemos obter as curvas:

Figura - Curva tensão x freqüência e potência x freqüência

A limitação do controle escalar consiste na limitação do motor quanto a sua tensão nominal, a qual não deve ser ultrapassada sob risco de queima do enrolamento do estator. Deste modo, uma vez ultrapassada a freqüência nominal (Fn) a tensão não sofre acréscimo, o que faz com que tenhamos também um aumento linear da potência, até que seja atingida a potência nominal.

Curva característica de conjugado X velocidade

Uma vez ultrapassada a freqüência nominal devido a não podermos manter mais V/f e como a freqüência continua aumentando haverá um decréscimo do fluxo magnético, o que provocará perda de conjugado, como vemos na curva a seguir :

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SENAI 391

Figura - Curva característica de conjugado x velocidade

Curva de conjugado X freqüência

Considerando pequenos valores de escorregamento e supondo-se que a freqüência da tensão no rotor é a mesma do estator podemos afirmar que : ➊ o conjugado máximo decresce com o quadrado da velocidade (1/n2); ➋ o conjugado nominal decresce hiperbolicamente* com a velocidade e também aproximadamente com o quadrado do fluxo; *(hipérbole é a função oposta à parábola, ou seja, a parábola é regida pela equação y = x2, e a hipérbole por y = 1/ x2); ➌ a velocidade máxima em função do conjugado pode ser calculada pela fórmula : n máx. < Cmáx . n nom Cnom As curvas características de Conjugado X Rotação são deslocadas em função da rotação, que depende da freqüência, como podemos observar na figura a seguir :

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SENAI 392

Figura - Curva conjugado X rotação

Teoricamente, existem duas faixas de atuação, onde temos: ➊ fluxo constante até a freqüência nominal; ➋ enfraquecimento de campo acima da freqüência nominal. Na prática, existem ainda outras considerações a serem feitas: ➊ para motores autoventilados pode haver sobreaquecimento ao se trabalhar abaixo de sua velocidade nominal; ➋ para velocidades muito baixas, normalmente abaixo de 10 Hz, o que implica em tensões também baixas, a resistência do estator começa a ser significativa, afetando o conjugado.

Sugestões de ordem prática

Para se solucionar o problema de superaquecimento deve-se prever uma ventilação forçada para o motor. Para se ter um torque maior com velocidade acima da nominal pode-se sobredimensionar o motor.

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Controle vetorial de inversores PWM (idéia geral) Até aqui vimos que para manter o torque constante basta mantermos constante a relação V/f. Esse método se mostra bastante eficaz para uma boa parte das aplicações. Existem, no entanto, casos em que variações muito pequenas de velocidade podem resultar em perda de material e interrupção do processo produtivo. Como exemplo temos máquinas extrusoras de plástico (onde são feitos cantoneiras e perfis plásticos com formatos de H, X, C, U, por exemplo), trefiladoras (produção de fios e fibras) e bobinadeiras. Para esses casos uma precisão da ordem de 3% a 5%, obtida com controle escalar sem realimentação, ou de 0,2% a 0,3%, obtida através de realimentação (por tacogeradores, por exemplo) pode não ser suficiente. Por outro lado, a utilização de realimentação encarece mais o equipamento e gera transtomos mecânicos, como instalação e acréscimo de mais um elemento para manutenção, entre outros. Utilizando-se motores CC devidamente controlados e realimentados pode-se obter precisão da ordem de até 0,01%, porém devemos considerar os inconvenientes já citados dos motores CC ( peso, custo, manutenção,...). Para obter uma maior precisão devemos levar em conta outros parâmetros do MIT que podem causar variações e oscilações no torque. Devem-se considerar as variações da impedância interna dos enrolamentos e os fenômenos de saturação magnética, por exemplo. Para solucionar esse problema, uma das sugestões apresentadas é o chamado "Controle Vetorial de Fluxo", que permite uma precisão da ordem de 0,01% sem a utilização de sensores. No inversor escalar não são consideradas as características de impedância (resistências e reatâncias internas) e saturação magnética, as quais variam de motor para motor. No controle vetorial, grosso modo, o que se faz é obter um modelo matemático para o motor; nesse modelo são separadas as correntes de magnetização e a de torque do rotor, sendo montada uma matriz que é resolvida para cada valor de freqüência, atuando na síntese do PWM. Para a montagem o inversor executa uma operação chamada de auto-tunning ( ou auto-ajuste), através da qual são injetados valores de corrente no motor e lidos os resultados. Essa operação permite que o inversor trabalhe casado com o motor. A corrente do estator é responsável pela geração do fluxo magnético necessário para a magnetização do rotor (nesse caso, a corrente de magnetização gira em torno de 8,5 A) e pela produção de torque, sendo observado um aumento substancial de corrente quando há o aumento de carga.

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De acordo com os dados obtidos no auto-tunning ( ou self-tunning), o inversor calcula a corrente necessária para produzir o torque requerido pela máquina, monitorando a corrente no estator. Parametrização de inversores Para o inicio do funcionamento de um inversor é necessário que se estabeleçam alguns parâmetros básicos de funcionamento. A determinação desses parâmetros pode ser feita de modo analógico (por meio de chaves e/ou potenciômetros), quando então o inversor é chamado de "inversor analógico". Se a parametrização é feita por meio de uma interface com display alfa-numérico ou via microcomputador o mesmo é chamado de "inversor digital". Esses parâmetros geralmente vêm pré-ajustados de fábrica, permitindo que se ligue o conjunto inversor-motor, sem carga, para verificação das conexões e do funcionamento. Após esse momento deve-se adequá-los à situação real de funcionamento do conjunto motor-carga. Os principais parâmetros a serem ajustados são: ➊ Freqüência mínima: é o limite inferior de freqüência do inversor. ➋ Freqüência máxima: é o limite superior de freqüência do inversor. ➌ Tempo de aceleração: é o tempo que c inversor leva para atingir a freqüência máxima partindo do repouso. ➍ Tempo de desaceleração: é o tempo que o inversor leva para atingir a freqüência mínima partindo do ponto de freqüência máxima. ➎ Corrente máxima: é a corrente máxima que o inversor deve fornecer ao motor antes de entrar em proteção térmica devido a sobreaquecimento. Além destes parâmetros podem existir muitos outros a serem setados de acordo com o Manual de Instalação do equipamento. Tais parâmetros são implementados via software e oferecidos de acordo com o fabricante. Importante: a parametrização incorreta do inversor pode implicar no mau aproveitamento de todos os recursos do equipamento e no seu mau funcionamento.

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Por exemplo, para cargas de alta inércia o tempo das rampas de aceleração e de desaceleração não pode ser muito baixo, o que implicaria em sobrecarga para o inversor, causando seu desligamento ou até, em casos mais graves, sua queima. Devido a esse aspecto, muitas vezes se recorre à assistência técnica do fornecedor para uma melhor adequação do inversor a cada caso específico. Algumas funções especiais dos inversores comerciais Praticamente, todos os inversores disponíveis hoje, no mercado, são microprocessados, o que permite que sejam implementadas algumas funções especiais bastando, para isso, algumas linhas a mais de programa e uma interface para acesso à programação. Alguns fabricantes fornecem essa interface com o equipamento; outros a oferecem como opcional. Outros fabricantes oferecem, ainda, como opcionais, os softwares para parametrização e visualização do funcionamento do inversor. A seguir temos algumas dessas chamadas "funções especiais".

Ciclo automático

É utilizado quando se tem uma determinada seqüência de funcionamento do motor, a qual será repetida sempre que o inversor for acionado. A freqüência na qual o inversor irá operar é ajustada em patamares, com tempo de t1 a t6 (no caso deste exemplo), sendo obedecidos também os tempos de aceleração ta e de desaceleração td, determinados pelas rampas de aceleração e desaceleração parametrizadas no inversor. Multi.speed (múltiplas velocidades) Esta função permite a variação da freqüência de saída do inversor através de combinações lógicas das entradas digitais. Essas entradas podem ser selecionadas através de chaves seletoras, contatores, relés, chaves fim-de-curso, sensores e saídas de controladores programáveis, entre outros dispositivos, e seu uso é sugerido quando se tem uma ou mais velocidades pré-fixadas. Skip Frequency (rejeição de freqüências críticas)

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Existem sistemas em que certos valores de freqüência são proibidos, pois o sistema pode entrar em ressonância, por exemplo. Quando a freqüência da tensão de saída estiver sendo aumentada e for passar por esses valores (atingir fmin.), o inversor pula para um valor acima da freqüência crítica (fmax.). Quando a freqüência da tensão de saída estiver sendo reduzida, a saída passa de fmáx. para fmin., como podemos ver na curva a seguir:

Figura - Skip frequency

Partida com o motor girando (Flying start) Quando o motor está girando gera-se uma tensão em seus terminais, de modo que se conectarmos o inversor diretamente ao motor provavelmente ele irá entrar em função de proteção. Com esse recurso o inversor atua impondo a tensão de alimentação, sem entrar em proteção devido aos picos de tensão.

Rampa "S"

Esse recurso permite aceleração e desaceleração suaves; é bastante empregado em sistemas de transporte de cargas, como esteiras e elevadores, onde os choques mecânicos devem ser minimizados. Permite que se ajustem os tempos de aceleração e desaceleração e a distorção da rampa "S".

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Figura - Rampa S

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11. Fundamentos de Controle Automático

Introdução Evolução histórica do controle automático O progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, de transmissão de medidas (transmissores), de regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas solenóides, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’s, etc. Esses equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples ou múltiplas adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de processo. Em 1932 H. Nyquist, da Bell Telephone, criou a primeira teoria geral de controle automático com sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelecia um critério para o estudo da estabilidade. Conceitos e Considerações Básicas de Controle Automático Conceitos O controle automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor ( fixo ou variável). Esse é o valor desejado. Para atingir essa finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo: A- Medida do valor atual da variável que se quer regular. B- Comparação do valor atual com o valor desejado. C- Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção. D- Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto é , de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz, pois, variações de sentido contrário ao erro. Resumidamente, podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao

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valor desejado e da utilização do desvio para se gerar e aplicar uma ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio. Para exemplificar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito, de maneira simplificada (figura 1).

Figura 1 – Controle de Temperatura

De todas as grandezas relativas ao sistema ( nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água. A temperatura é, então, a variável controlada. Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( tubo curvo de secção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala. No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se queira manter a temperatura da água nas proximidades de 50 °C. Esse valor da temperatura da água é o valor desejado. Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor a temperatura da água vai descer devido às perdas, aproximando-se do valor desejado. Quando, ao contrário, a temperatura for inferior ao valor desejado o bourdon

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enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência a temperatura da água no depósito vai subir, de modo a aproximar-se de novo do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos, contudo, as funções essenciais de uma malha de controle. Medida - A cargo do sistema termométrico. Comparação - Efetuada pelo sistema de Contatos (Posição Relativa) Computação - Geração do sinal de correção (efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato). Correção - Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator Observa-se que para a correção da variável controlada (temperatura) deve-se atuar sobre outra variável (quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável, da qual depende a variável controlada e que se denomina de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle “ pode ser a corrente elétrica – I” .

Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O

sinal de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos , como se

verá, a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada.

Podemos, agora, representar um diagrama simbólico das várias funções e variáveis

encontradas (figura 2). Alguns elementos de medida mais os elementos de comparação

e de computação fazem, normalmente, parte do instrumento chamado de

“CONTROLADOR”.

(Quantidade de calor) Variável manipulada

Elementos de Comparação

Processo (Depósito)

Elementos

de

Medida

_

Elementos de Computação

Elementos

de

Controle

(Temperatura de água) Variável Controlada

Valor desejado

Sinal de Correção

Termômetro

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Figura 2 - Diagrama das funções e variáveis envolvidas no controle de temperatura.

Para facilitar o entendimento de alguns termos que aqui serão utilizados serão dadas, de forma sucinta, suas definições: Planta - parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma máquina, que funciona conjuntamente e cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. Processo - qualquer operação ou seqüência de operações envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em batelada. Sistema - combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Variável do Processo (PV) - qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável controlada). Variável Manipulada ( MV) - grandeza operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. Set Point (SP) - valor desejado estabelecido previamente como valor de referência. Distúrbio (Ruído) - sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada. Desvio - valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada. Ganho - valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída, devem ser expressas na mesma unidade. Tipos de Controle Controle Manual e Controle Automático Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras 3 e 4 . Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e, baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.

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Desse modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual sendo, portanto, um caso de “Controle Manual”.

Figura 3 - Controle Manual de um Sistema Térmico

Considere, agora, o caso da figura 4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso este sistema atua de modo similar ao operador tendo, então, um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula que substituem, respectivamente, os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, ou seja, de maneira automática sendo, portanto, um caso de “Controle Automático”.

Figura 4 - Controle Automático de um Sistema Térmico

Controle Auto-operado Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente através da região de detecção do sistema controlado. Desse modo,

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este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. É largamente utilizado em aplicações de controle de pressão, sendo pouco usado no controle de temperatura, nível, etc. A figura 5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão utilizando uma válvula auto-operada.

Figura 5 - Sistema de Controle de Pressão Mínima de Combustível Auto-operado

Controle em Malha Aberta e Malha Fechada Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é o componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída. a) Sistema de Controle em Malha Aberta É o sistema no qual a ação de controle é independente da saída. Neste caso, conforme mostrado na figura 6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema é a máquina de lavar roupa. Após terem sido programadas, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir uma etapa a máquina não verifica se esta foi efetuada de forma correta ( por exemplo, após enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

Figura 6 – Sistema de Controle em Malha Aberta

saída

Planta ou

Processo

entrad Controlad

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b) Sistema de Controle em Malha Fechada É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da figura 7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e determina uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter sua temperatura no valor por ele tido como desejado para o banho.

Figura 7 - Sistema de Controle em Malha Fechada

Realimentação É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente é produzida num sistema quando existe uma seqüência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis desse sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre o valor desejado e o valor do processo esta recebe o nome de realimentação negativa. Processos Monovariáveis e Multivariáveis Esquema de Funcionamento e Diagrama de Bloco O esquema da figura 8, abaixo, representa um tanque, uma bomba e tubulações. Todos esses elementos constituem o processo.

saída Planta

ou entrad Controlador

Elemento de

Medição

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Qe

Qs L

Figura 8 – Representação Esquemática de um Processo de Nível

Variáveis físicas envolvidas:

• A vazão de entrada: Qe • A vazão de saída: QS • O nível do tanque: L As vazões Qe e Qs são variáveis independentes do processo e são chamadas de variáveis de entrada do processo cujo produto é o nível. A variação de uma delas, ou de ambas, influencia a variável principal, o nível “L”. O esquema de funcionamento da figura 8 pode ser representado também conforme o diagrama da figura 9. O retângulo representa simbolicamente o processo.

Figura 9 - Diagrama em Blocos da figura 8

Os processos e a Instrumentação A representação do diagrama de nível da figura 8 com o seu sistema de controle é mostrado na figura 10.

Variável Controlada

Variáveis Perturbadoras

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Figura 10 - Malha de Controle de Nível

Podemos observar que a variável Qe é manipulável através da válvula controladora de nível. Normalmente é chamada de variável manipulada (regulada). A variável Qs é chamada de variável perturbadora do nível pois qualquer variação de seu estado poderá alterar o nível. Para diferenciar variáveis manipuladas de variáveis perturbadoras utilizamos a representação da figura 11 ou 12.

Figura 11 - Variáveis Reguladoras x Variáveis Perturbadoras

Processos Monovariáveis e Multivariáveis

Foi incorporado um sistema de aquecimento, no tanque da figura 12, que utiliza uma

resistência R de aquecimento para aquecimento do fluido.

Qs

Qe L

Variável

Variável Variável

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L

Ts

L

Ts

Qe

U

Qs Te

Qe

U

Figura 12 - Malha de Controle de Um Tanque de Aquecimento

Desta forma podemos evidenciar: Variáveis controladas: - Nível L no tanque

- Temperatura Te de saída Variáveis reguladoras: - Vazão Qe de entrada

- Tensão U de alimentação da resistência Variáveis perturbadoras: - Temperatura Te de entrada do fluido

- Vazão de saída Qs

Fig. 13a - Representação Esquemática Fig. 13b – Diagrama em Bloco

O diagrama de bloco da fig. 13b mostra as interações entre as variáveis reguladoras (ou manipuladas) e as variáveis do processo (ou controladas). Podemos observar que a variação em U faz com que apenas a temperatura de saída Ts varie e que uma variação em Qe provoque variações em “L” e “Ts”, simultaneamente. Por essa razão o processo é dito multivariável.

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De forma genérica, um processo é multivariável quando uma variável reguladora influencia mais de uma variável controlada.

Um processo monovariável é um processo que possui variável reguladora a qual

influencia apenas uma variável controlada. No meio industrial o tipo multivariável é

predominante.

Processos Estáveis e Instáveis Processos Estáveis (ou Naturalmente Estáveis) Consideremos o nível “L” do tanque da figura 14. A vazão de saída Qs é função do nível “L” ( L . k Qs = ). Se “L” é constante, implica que Qs está igual a Qe.

No instante To provocamos um degrau na válvula; o nível começará a aumentar

provocando, também, um aumento na vazão de saída Qs.

Após um período de tempo o nível se estabilizará em um novo patamar N1. Isso

implicará em que a vazão de saída Qs seja igual à vazão de entrada Qe. Quando isso

ocorre afirmamos que o processo considerado é um processo estável, ou, naturalmente

estável.

Figura 14 - Exemplo de um Processo Estável

Processos Instáveis (ou Integradores)

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Substituindo o processo anterior com escoamento natural por um processo forçado, ou seja, acrescentando uma bomba de vazão constante Qs (figura 15) e repetindo o procedimento anterior observamos que o nível não se estabilizará. Esses processos recebem o nome de processos instáveis, ou, integradores.

Figura 15 - Exemplo de Processo Instável.

Ações de Controle No controle automático efetua-se sempre a medição da variável controlada (saída). Compara-se o valor medido com o valor desejado e a diferença entre os dois é, então, processada para, finalmente, modificar ou não a posição do elemento final de controle. O processamento é feito em uma unidade – chamada unidade de controle – através de cálculos matemáticos. Cada tipo de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos corretivos no processo em questão os mais adequados. Existem 4 ( quatro) tipos de ações básicas de controle, que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si, e 2 (dois) modos de acionamento do controlador. Iniciaremos definindo esses dois modos para, em seguida, estudar cada tipo de ação e suas associações principais. Modos de Acionamento O sinal de saída do controlador depende da diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado dessa diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisso, um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos, chamados de “ação direta” e “ação indireta”.

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Ação direta (normal) Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um aumento no seu sinal de saída. Ação indireta (reversa) Dizemos que um controlador está funcionando na “ação reversa” quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado provoca um decréscimo no seu sinal de saída. Ação de Controle On-Off (Liga-Desliga) De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a mais barata. Por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como em sistemas de controle doméstico. Como o próprio nome indica, ela só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja: totalmente aberto ou totalmente fechado. Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou valor mínimo, dependendo dela estar maior ou menor que o valor desejado. Devido a isso, o controle com esse tipo de ação fica restrito a processos prejudiciais, pois esse tipo de controle não proporciona balanço exato entre entrada e saída de energia. Para exemplificar um controle ON-OFF recorremos ao sistema de controle de nível mostrado na figura 16. Nesse sistema, a fim de se efetuar o controle de nível utiliza-se um flutuador para abrir e fechar o contato (S), que energiza ou não o circuito de alimentação da bobina de um válvula do tipo solenóide. Essa solenóide, energizada, permite passagem da vazão máxima e desenergizada bloqueia totalmente o fluxo do líquido para o tanque. Assim, esse sistema efetua o controle estando sempre em uma das posições extremas, ou seja, totalmente aberto ou totalmente fechado.

Figura 16 - Sistema ON-OFF de Controle de Nível de Liquido

Observe que neste tipo de ação vai existir sempre um intervalo entre o comando “liga” e o comando “desliga”. Esse intervalo diferencial faz com que a saída do controlador

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mantenha seu valor presente até que o sinal de erro tenha se movido ligeiramente além do valor zero (figura 17). Em alguns casos o intervalo é proveniente de atritos e perdas de movimento não intencionalmente introduzidos no sistema. Entretanto, normalmente ele é introduzido com a intenção de evitar uma operação de liga-desliga mais freqüente, o que certamente afetaria a vida útil do sistema.

100

50

0

TEM

PER

ATU

RA

FECHADA

ABERTA

VALORDESEJADO(SET POINT)

VÁLV

ULA

Figura 17 - Intervalo ente as ações de liga-desliga

O fato desse controle levar a variável manipulada sempre a uma das suas posições extremas faz com que a variável controlada oscile continuamente em torno do valor desejado. Essa oscilação varia em freqüência e amplitude em função do intervalo entre as ações e também em função da variação da carga. Com isso, o valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do valor desejado, provocando o aparecimento de um desvio residual denominado erro de “off-set”. (vide figura 18).

Figura 18 - Erro de Off-Set

Características básicas do controle ON-OFF Basicamente, todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características:

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a) Correção independente da intensidade do desvio b) Ganho infinito c) Oscilações no processo d) Erro de off-set Conclusão Conforme já foi dito, o controle através da ação em duas posições é simples e econômico sendo, portanto, largamente utilizado hoje em dia. Os controles de temperatura nos fornos elétricos pequenos e nos fornos de secagem, entre outros, são realizados, em sua maioria, por este método. No entanto, ele apresenta certas desvantagens por provocar oscilações e “off-set”. Quando gera tempo morto muito grande os resultados de controle tornam-se acentuadamente inadequados. Assim, quando não é possível utilizar este tipo de controle recorre-se a outros mais complexos, que eliminam esses inconvenientes. Ações de Controle Proporcional , Integral e Derivativa Conceitos Gerais O sistema de controle automático contínuo tem como característica um controlador cuja saída varia continuamente, isto é, pode assumir qualquer valor compreendido entre os limites máximo e mínimo. Naturalmente, os controladores e os elementos finais de controle contínuo diferem dos de um controle descontínuo. Nos sistemas de controle descontínuo a variável controlada varia em torno do desejado, com oscilações cuja amplitude e freqüência dependem das características do processo e do próprio sistema de controle. Nos sistemas de controle contínuo a variável controlada não oscila mas se mantém constante no set-point. Caso ocorra algum distúrbio, o sistema só atuará no sentido de corrigi-lo após perceber o desvio na medição ocorrendo, assim, um atraso no controle em malha fechada. Ação Proporcional (Ação P)

Para evitar atrasos no controle de malha fechada foi desenvolvido um tipo de ação na

qual a ação corretiva produzida é proporcional à amplitude do valor do desvio. Tal ação

denominou-se ação proporcional.

A figura 19 indica o movimento do elemento final de controle sujeito apenas à ação de controle proporcional em uma malha aberta quando é aplicado um desvio em degrau num controlador ajustado para funcionar na ação direta.

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VP

MV

tempo

tempo So

VP = SV

desvio

MV = KP DV + SO

Figura 19 – Movimento do elemento final de controle

A ação proporcional pode ser determinada pela seguinte equação:

Onde: MV = Sinal de saída do controlador KP = Constante de proporcionalidade ou ganho proporcional DV = Desvio = |VP - SV| SO = Sinal de saída inicial VP = Variável do processo (PV) SP = SV = Valor Setado (Desejado) Note que mesmo quando o desvio é zero há um sinal de saída do controlador (SO) cuja finalidade é a de manter o elemento final de controle na posição de regime. E mais, para se obter o controle na ação direta ou reversa basta mudar a relação de desvio. Assim, para DV = (PV - SV) tem-se a ação direta e para DV = (SV - PV) tem-se a ação reversa. Um exemplo simples de controle utilizando apenas a ação proporcional é o mostrado na figura 20, onde a válvula de controle é aberta ou fechada proporcionalmente à amplitude do desvio.

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Figura 20 - Exemplo de um sistema simples com ação proporcional

Erro de Off-Set Verificamos até aqui que ao introduzirmos os mecanismos da ação proporcional eliminamos as oscilações no processo provocadas pelo controle liga-desliga, porém o controle proporcional não consegue eliminar o erro de off-set, visto que quando houver um distúrbio qualquer no processo a ação proporcional não consegue eliminar totalmente a diferença entre o valor desejado e o valor medido (variável controlada), conforme pode ser visto na figura 21.

Figura 21 - Resultado do controle pela ação proporcional

Ação Integral (Ação I) Ao utilizarmos o controle proporcional conseguimos eliminar o problema das oscilações provocadas pela ação ON-OFF e este seria o controle aceitável na maioria das

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aplicações se não houvesse o inconveniente da não eliminação do erro de off-set sem a intervenção do operador. Esta intervenção é aceitável em pequenos processos, porém em grandes plantas industriais torna-se impraticável. Para resolver o problema e eliminar o erro de off-set desenvolveu-se uma nova unidade denominada “ação integral”. A ação integral vai atuar no processo ao longo do tempo, enquanto existir diferença entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no tempo e por isso, enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar por completo o erro. Para melhor estudarmos como atua a ação integral em um sistema de controle recorremos à figura 22, que mostra como se comporta esta ação quando o sistema é sensibilizado por um distúrbio do tipo degrau em uma malha aberta. Observe que a resposta da ação integral foi aumentando enquanto o desvio esteve presente até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior será a saída do controlador. Se o desvio fosse maior sua resposta seria ainda mais rápida, ou seja, a reta da figura 22 seria mais inclinada.

Figura 22 - Resposta da ação integral em distúrbio em degrau

Percebemos, então, que a resposta desta ação de controle é dada em função do tempo e do desvio. Desse modo podemos expressá-la pela seguinte equação:

t0

Saída do Controlador

MV

100%

t0

Desvio (DV) Valor setado (SV)

Variável medida

(VP)

tempo

tempo

Variável do

Processo

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Onde: ds/dt = Taxa de variação de saída do controlador DV = desvio KI = ganho integral ou taxa integral. Na maioria das vezes o inverso de KI, chamado de tempo integral é usado para descrever a ação integral. [Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição (MPR) ou segundo por repetição (SPR)]. Ação Derivativa ( Ação D ) Vimos até agora que o controlador proporcional tem sua ação proporcional ao desvio e que o controlador integral tem sua ação proporcional ao desvio versus tempo. Em resumo, eles só atuam em presença do desvio. O controlador ideal seria aquele que impedisse o aparecimento de desvios o que, na prática, seria difícil de ocorrer. No entanto, pode ser obtida a ação de controle que reaja em função da velocidade do desvio, ou seja, não importa a amplitude do desvio, mas sim a velocidade com que ele aparece. Esse tipo de ação é comumente chamado de ação derivativa, a qual atua fornecendo uma correção antecipada do desvio, isto é, no instante em que o desvio tende a acontecer ela fornece uma correção de forma a prevenir o sistema quanto ao aumento do desvio diminuindo, assim, o tempo de resposta. Matematicamente esta ação pode ser representada pela seguinte equação:

DVxKd

dI

t

s=

IK1

T =i

ot

ed S+d

dT=MV

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Onde:

So = Saída para desvio zero Td = Tempo derivativo O tempo derivativo, também chamado de ganho derivativo, é o tempo gasto para se obter a mesma quantidade operacional da ação proporcional somente pela ação derivativa. As características desse dispositivo podem ser notadas através do gráfico da figura 23, onde se vê uma variação em degrau, isto é, uma velocidade de variação infinita. Nesse caso, a ação derivativa, que é proporcional à velocidade do desvio, causou uma mudança brusca na variável manipulada.

Figura 23 – Desvio em degrau

Conclusão O controle proporcional associado ao integral e ao derivativo é o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada. O proporcional elimina as oscilações e o integral elimina o desvio de off-set, enquanto o

desvio do variação de Taxadd

t

e=

Instrumentista

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derivativo fornece ao sistema uma ação antecipativa evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por uma correção lenta comparada com à velocidade do desvio.

Instrumentista

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