SENAI - CETIND
INSTRUMENTAÇÃO GERAL
SENAI - CETIND
INSTRUMENTAÇÃO GERAL
Lauro de Freitas 2008
Copyright ©2008 por SENAI DR BA. Todos os direitos reservados TECNOLOGIA DE PROCESSO (TEP) Elaboração: Ildefonso Martins dos Santos Engenheiro Eletricista Revisão Técnica: Luís Cláudio da Silva e Silva Jadson Aragão Rezende Filho Revisão Pedagógica: Kátia Francisca Ambrozi Normalização: Talita Batista de Brito
Catalogação na Fonte (NIT – Núcleo de Informação Tecnológica)
____________________________________________________________ SENAI-DR BA. Instrumentação geral. – Lauro de Freitas: CETIND, 2008. 117 p., il. (Rev. 03)
1. Instrumentação Instrumentação
I. Título
CDD 681.754 ____________________________________________________________
SENAI - SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL CETIND - CENTRO DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PEDRO RIBEIRO Av. Luis Tarquínio Pontes, 938 - Aracuí - Lauro de Freitas - Bahia Tel: (71) 3379-8200 Fax: (71) 3379-8299/ 49 www.cetind.fieb.org.br
APRESENTAÇÃO Com o objetivo de apoiar e proporcionar a melhoria contínua do padrão de qualidade e produtividade da indústria, o SENAI BA desenvolve programas de educação profissional e superior, além de prestar serviços técnicos e tecnológicos. Essas atividades, com conteúdos tecnológicos, são direcionadas para indústrias nos diversos segmentos, através de programas de educação profissional, consultorias e informação tecnológica, para profissionais da área industrial ou para pessoas que desejam profissionalizar-se visando inserir-se no mercado de trabalho. Este material didático foi preparado para funcionar como instrumento de consulta. Possui informações que são aplicáveis de forma prática no dia-a-dia do profissional, e apresenta uma linguagem simples e de fácil assimilação. assimilação. É um meio que possibilita, possibilita, de forma eficiente, eficiente, o aperfeiçoamento do aluno através do estudo do conteúdo apresentado no módulo.
SUMÁRIO
1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.2.1
2.6.3 2.6.4 2.6.5 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
APRESENTAÇÃO INTRODUÇÃO ............................................ ................................................................... .............................................. ................................. .......... CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO ............................................. .................................................................... .............................................. ................................. .......... Sistema em malha aberta ........................................... .................................................................. ............................................. ...................... Sistema de malha fechada ............................................. .................................................................... ......................................... .................. CLASSIFICAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO .................................................... INSTRUMENTOS DA MALHA .............................................. ..................................................................... ............................. ...... CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS .................................... TERMOS METROLÓGICOS APLICADOS EM INSTRUMENTAÇÃO ............ SIMBOLOGIA - NOMENCLATURA ............................................. ................................................................... ...................... MEDIÇÃO DE PRESSÃO ............................. ..................................................... ............................................... ............................. ...... CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................ ................................................................... ............................. ...... COLUNA DE LÍQUIDO .............................................. ..................................................................... ......................................... .................. TUBO DE BOURDON ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... MEMBRANA OU DIAFRAGMA .............................................. ..................................................................... .......................... ... FOLE .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................... ... TRANSMISSORES DE PRESSÃO ............................................ ................................................................... .......................... ... Transmissor pneumático de pressão ............................................. .................................................................... .......................... ... Transmissores eletrônicos de pressão ........................................... .................................................................. .......................... ... Transmissores eletrônicos de pressão tipo capacitivo capacitivo ........................................... ........................................... Strain gauge ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................... .................. Silício ressonante ............................................ ................................................................... .............................................. ................................. .......... Pressostato .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................... .................. MEDIÇÃO DE NÍVEL ............................................ ................................................................... ............................................. ...................... CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................ ................................................................... ............................. ...... VISOR DE NÍVEL ............................................ .................................................................... ............................................... ............................. ...... MEDIÇÃO POR BÓIA ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... MEDIÇÃO POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA ............................................. ................................................... ...... MEDIÇÃO DE NÍVEL COM BORBULHADOR ............................................. ................................................ ... MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO ............................................. ............................................................... .................. MEDIDOR POR ULTRA-SOM .............................................. ...................................................................... .............................. ...... MEDIDOR DE NÍVEL POR RADAR ............................................ .................................................................. ......................
6 6 8 8 10 15 25 27 31 35 35 37 39 40 40 41 41 43 43 44 47 49 49 51 51 51 52 53 54 55 56 58
3.9 3.10 3.11 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6 6.1 6.2 6.3 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6
MEDIÇÃO NÍVEL POR RADIAÇÃO ........................................... ................................................................. ...................... 59 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR CAPACITÂNCIA ............................................ .................................................. ...... 59 CHAVE DE NÍVEL .............................................. ..................................................................... .............................................. .......................... ... 60 MEDIÇÃO DE VAZÃO .............................................. ..................................................................... ......................................... .................. 62 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................ ................................................................... ............................. ...... 62 MEDIDORES POR PRESSÃO DIFERENCIAL ............................................ .................................................. ...... 63 MEDIDORES POR ÁREA VARIÁVEL (ROTÂMETRO) .................................. .................................. 69 MEDIDORES DE CANAIS ABERTOS ............................................. ............................................................... .................. 71 MEDIDOR DE TURBINA ........................................... .................................................................. ......................................... .................. 72 MEDIDOR TIPO VORTEX ............................................. .................................................................... ..................................... .............. 73 MEDIDOR MAGNÉTICO (MAGFLOWMETER) ........................................... .............................................. ... 74 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO ............................................. ............................................. 75 MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA ........................................... .................................................................. .......................... ... 76 CHAVE DE VAZÃO ............................................ ................................................................... .............................................. .......................... ... 77 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ............................................ ................................................................... .......................... ... 79 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................ ................................................................... ............................. ...... 79 TERMÔMETROS A DILATAÇÃO ............................................ ................................................................... .......................... ... 81 POÇO DE TEMPERATURA (TW) ............................................. .................................................................... .......................... ... 84 TERMOPARES .............................................. ..................................................................... .............................................. ................................. .......... 85 TERMORESISTORES ............................................. .................................................................... ............................................. ...................... 89 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR RADIAÇÃO .......................................... .......................................... 94 TERMOSTATO ............................................. .................................................................... .............................................. ................................. .......... 96 DENSIDADE ............................................. .................................................................... .............................................. ..................................... .............. 98 DENSIDADE RELATIVA ........................................... .................................................................. ......................................... .................. 98 VARIAÇÃO DA DENSIDADE COM A TEMPERATURA E A PRESSÃO ...... 98 TIPOS DE MEDIDORES DE DENSIDADE .............................................. ........................................................ .......... 99 VÁLVULAS DE CONTROLE ............................................... ...................................................................... ............................. ...... 103 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ............................................ ................................................................... ............................. ...... 103 ATUADOR ............................................ ................................................................... .............................................. ......................................... .................. 103 CASTELO .............................................. ..................................................................... .............................................. ......................................... .................. 106 CORPO ........................................... .................................................................. .............................................. .............................................. .......................... ... 109 CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO ............................................ ................................................................... .......................... ... 112 POSICIONADOR ............................................. .................................................................... ............................................... .............................. ...... 114 REFERÊNCIAS .............................................. ...................................................................... ............................................... ............................. ...... 117
1 INTRODUÇÃO 1.1 CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA CONTROLE DE PROCESSO Os processos industriais são variados, englobam diversos tipos de produtos e exigem controle preciso dos produtos gerados. Usualmente, os maiores usuários de instrumentação são as indústrias que atuam nas áreas de petróleo, química, petroquímica, alimento, cerâmica, siderúrgica, celulose e papel, têxtil, geração de energia elétrica etc. As figuras 1 a 6 ilustram exemplos de processo citados.
Figura 1 - Extração de petróleo
Figura 2 - Refino de petróleo
Figura 3 - Petroquímica
Figura 4 - Alimentos
Figura 5 - Siderúrgica
Figura 6 - Celulose e papel
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Em todos esses processos é indispensável se controlar e manter constantes as principais variáveis, tais como pressão, nível, vazão, temperatura, pH , condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter e controlar estas variáveis em condições mais adequadas e precisas do que se elas fossem controladas manualmente pelo operador. Os sistemas de controle mantêm a variável controlada no valor especificado, comparando o valor da variável medida, ou a condição a controlar, com o valor desejado (ponto de ajuste ou set-point ), e fazendo as correções em função do desvio existente entre estes dois valores (erro ou offset ), sem a necessidade de intervenção do operador. Os diversos aspectos de instrumentação e de controle automático de processos podem ser mostrados mais apropriadamente através de um exemplo prático. Para ilustrar, utilizar-se-á como processo típico, o trocador de calor mostrado na Figura 7, que é um equipamento industrial que tem a finalidade de aquecer ou resfriar um fluido. Neste exemplo utilizaremos o vapor para promover o aquecimento de um fluido.
Figura 7 - Processo típico de troca de calor
No caso da figura 7 o termo processo significa a operação de adição de energia calorífica ao fluido frio (fluido a ser aquecido). No exemplo mostrado na figura 7, a temperatura do fluido na saída do trocador é influenciada por vários fatores, sendo que os principais são: a vazão e temperatura de entrada do fluido a ser aquecido, vazão e característica do vapor utilizado no aquecimento, capacidade calorífica dos fluidos, perda térmica do trocador para o meio ambiente, etc.
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1.1.1 Sistema em malha aberta Sistema em malha aberta é aquele em que a informação sobre a variável controlada (no caso da figura 8, temperatura do fluido aquecido na saída do trocador) não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada, visando compensar as variações que ocorrem nas variáveis do processo e que influenciam na variável controlada.
Figura 8 - Processo típico de troca de calor em malha aberta
O conceito de malha aberta é freqüentemente utilizado nas discussões dos sistemas de controle, para indicar que está investigando a dinâmica do processo em uma condição não controlada, ou seja, investiga-se apenas a dinâmica do processo. 1.1.2 Sistema de malha fechada No processo típico de troca de calor em análise, bem como nos demais casos de controle de processos, a função fundamental do sistema de controle em malha fechada, ou sistema de controle com realimentação, é manipular a relação entrada/saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo seja mantida dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle em malha fechada regula a variável controlada (temperatura do fluido aquecido na saída do trocador), fazendo correções em outra variável do processo (vazão do vapor adicionada ao trocador), que é chamada de variável manipulada. O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador humano (controle manual) ou mediante a utilização de instrumentação (controle automático). Conforme mostrado na figura 9, num processo utilizando controle manual o operador terá como função medir a temperatura do fluido aquecido (variável controlada) e corrigir a vazão do vapor adicionado ao trocador (variável manipulada), de forma a manter a temperatura da variável controlada no valor desejado (ponto de ajuste ou set-point), ou seja, o operador irá medir a temperatura do fluido aquecido através do tato; este sinal será comparado mentalmente com a temperatura desejada (ponto de ajuste ou set-point), que está armazenada em seu cérebro, com base na diferença entre estes dois valores (erro ou desvio), o operador 8
fará a computação (definirá como e quanto irá atuar) e, em seguida, atuará na válvula de admissão de vapor fazendo a correção.
Figura 9 - Processo típico de troca de calor utilizando controle manual
Caso o processo típico de troca de calor seja controlado utilizando-se controle automático, as ações executadas serão as mesmas que as executadas pelo operador quando fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir). Na figura 10, a medição é feita pelo transmissor de temperatura (TT); a comparação do valor medido pelo transmissor (TT) com o ponto de ajuste dado pelo operador (set-point ) para obtenção do valor erro (valor do erro = valor do ponto de ajuste – valor medido da variável controlada) e a computação (que irá considerar os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas pelo controlador de temperatura (TRC), enquanto a correção será efetivada pela válvula de controle (TV), com base no sinal recebido do TRC.
Figura 10 - Processo típico de troca de calor utilizando controle automático 9
A forma de execução e o tempo gasto para efetivação das ações de controle dependem, basicamente, do sistema de controle utilizado e das características do processo controlado. Como as características do processo controlado (capacitâncias, resistências, tempo morto etc.) não podem ser alteradas, o que se faz é especificar o sistema de controle [transmissor, controlador (tipo e ajustes das ações de controle), válvula etc.] mais adequado às características do processo controlado, como forma de se otimizar o rendimento e facilitar a operação adequada do equipamento. Conforme será visto em itens posteriores, além dos sistemas de controle os processos industriais também utilizam os sistemas de segurança. Basicamente, os sistemas de controle atuam/preponderam enquanto o processo controlado estiver operando dentro das condições normais para os quais ele foi projetado; complementarmente, os sistemas de segurança atuam/preponderam sempre que o processo controlado sair das condições normais de operação e se aproximar ou adentrar nas condições de operação consideradas anormais e que possam ocasionar dificuldades/riscos operacionais (ao equipamento ou ao processo), pessoais ou ambientais. 1.2 CLASSIFICAÇÃODA INSTRUMENTAÇÃO
A instrumentação usa instrumentos para medir ou controlar propriedades físicas ou químicas de um sistema e podemos classificá-la quanto ao tipo de sinal de transmissão ou suprimento em: a) Pneumática b) Eletrônica - analógica - digital - via rádio - via modem
Pneumática - Nesse tipo (veja figura 11), é utilizado um gás comprimido que pode ser ar ou nitrogênio, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos, mais utilizados são, 0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15psi (Sistema Inglês).
Figura 11 - Instrumentação pneumática 10
Os sinais de transmissão analógica normalmente começam em um valor acima do zero para termos uma segurança em caso de rompimento do meio de comunicação. Vantagens A grande e única vantagem em se utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). Desvantagens a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100m. A partir desta distância é necessário uso de booster. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta aos computadores.
Eletrônica - Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face de tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, esse é o tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de (4 a 20 mA) e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também se utiliza sinais em tensão contínua de 1 a 5V, figura 12.
Figura 12 - Instrumentação eletrônica analógica
Vantagens a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. c) Permite fácil conexão aos computadores.
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Digital - Nesse tipo, Fig. 13, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor e receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão chamado protocolo de comunicação. Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento. b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados. c) Imune a ruídos externos. d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha. e) Menor custo final. Desvantagens a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malhas.
Figura 13 - Instrumentação eletrônica digital
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Via rádio (Wireless) - Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica, veja figura 14.
Figura 14 - Instrumentação wireless
Vantagens a) Não necessita de cabos de sinal. b) Podem-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Desvantagens a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados.
Via modem - A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude. Vantagens a) Baixo custo de instalação. b) Podem-se transmitir dados a longas distâncias. Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados. b) baixa velocidade na transmissão de dados. c) sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. Antes de se optar por um dos sistemas, vários são os parâmetros a considerar, tais como: Segurança, precisão, tempo de resposta, custo, manutenção etc. 13
Exercícios – Sinais de instrumentação 1) Qual a faixa padronizada para transmissão de sinal pneumático?
2) Qual a faixa padronizada para transmissão de sinal eletrônica?
3) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens do sinal pneumático sobre o eletrônico analógico?
4) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens do sinal eletrônico digital sobre o eletrônico analógico?
5) Quanto ao sinal de transmissão, quais as vantagens e desvantagens do sinal por ondas de rádio sobre o eletrônico analógico?
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1.3 INSTRUMENTOS DA MALHA A malha de controle mais simples possível é constituída de um controlador ligado diretamente à válvula de controle que atua no processo. Na prática, por questão das grandes distâncias envolvidas, dos demorados tempos de respostas, da necessidade de condicionamento de sinais mal comportados, da vantagem da linearização de sinais quadráticos, da exigência de compatibilidade de sinais com naturezas distintas, a malha de controle possui outros instrumentos para executar estas funções auxiliares e operacionais. O sistema de controle do processo é constituído basicamente pelo processo em si e pela malha de instrumentos de medição e de controle. Os principais instrumentos são: o elemento sensor, o transmissor, o indicador, o registrador, o controlador, o conversor e a válvula de controle.
Elemento sensor É o elemento de um instrumento de medição ou de uma malha de medição que é diretamente afetado pelo mensurando. O tipo de elemento sensor depende da variável medida. O sensor pode ser de natureza mecânica ou eletrônica. O sensor mecânico sente a variável do processo e produz uma força ou movimento mecânico. O sensor eletrônico ativo detecta a variável e produz na saída uma corrente ou uma tensão elétrica e não necessita de alimentação; o sensor eletrônico passivo requer uma tensão de alimentação e varia uma grandeza elétrica passiva, como a resistência, capacitância ou indutância.
Figura 15 - Sensor capacitivo (passivo)
Figura 16 - Termopar (ativo)
Transmissor O transmissor é um instrumento que detecta mudanças na variável de processo e transmitemna a distância na forma de um sinal padrão, proporcional ao valor desta variável. Pode-se usar o transmissor para enviar um sinal padrão a grandes distâncias para ser manipulado remotamente e para permitir a centralização e a padronização dos instrumentos da sala de controle. Os sinais padrões são: a) pneumático , de 3 a 15 psig; 0,2 a 1 bar ou 0,2 a 1,0 kgf/cm2 b) eletrônico, de 4 a 20 mAcc. São pouco usados: 10 a 50 mAcc ( nível elevado e perigoso) 1 a 5 Vcc (tensão não é conveniente para a transmissão) 15
Já são disponíveis transmissores que incorporam o microprocessador em seu circuito eletrônico. Isto possibilita e facilita as operações de computação matemática, de alarme, de seqüência lógica e de intertravamento. São os chamados transmissores inteligentes.
Figura 17 - Transmissor pneumático
Figura 18 - Transmissor eletrônico analógico
Figura 19 - Transmissor microprocessado
Telemetria Designa as tecnologias envolvidas na obtenção e processamento de dados à distância. Conforme já mencionado, as tecnologias envolvidas na transmissão de sinais em instrumentação, são a pneumática, eletrônica analógica e digital, via modem e rádio. No caso da pneumática, as linhas de transmissão são constituídas de tubo de cobre ou vinil de 1/4" (diâmetro externo). Em casos especiais (atmosferas oxidantes), usam-se tubos de aço inox. A distância prática para transmissão do campo para o painel é de aproximadamente 150m. Para distâncias superiores, é recomendável intercalar relés pneumáticos (reforçadores de sinal) a cada 100m a fim de atenuar os retardos de transmissão. Considera-se viável, a transmissão pneumática até a distância de 500m. As linhas de transmissão para instrumentação eletrônica são constituídas geralmente de fios de cobre flexível com isolamento de até 600 Volts. Os sinais DC (contínuos) eliminam a possibilidade de capturar perturbações eletromagnéticas podendo utilizar 2 fios blindados.
Zero vivo: Utilizado quando adotamos o nível mínimo de 4 mA (na eletrônica), oferece a vantagem de podermos detectar uma avaria (rompimento de um dos fios), que provocaria a queda do sinal abaixo de 0%. Note também, que o nível mínimo do sinal pneumático não é zero e sim 3 PSI, deste modo conseguimos calibrar corretamente o instrumento comprovando sua correta calibração, como por exemplo, no caso de um transmissor pneumático de temperatura de range 0 a 150ºC onde o sensor estivesse com 0ºC e o sinal de saída em 1 PSI, o mesmo visivelmente seria possível detectar sua descalibração. Se o nível mínimo fosse 0 PSI, não seria possível fazermos esta comprovação rapidamente. Na realização de calibração dos instrumentos o instrumentista realiza alguns cálculos com o objetivo de obter o sinal transmitido em função do sinal aplicado ao transmissor. A seguir 16
ilustraremos com dois exemplos, um para transmissor pneumático e o outro para transmissor eletrônico, como são feitos tais cálculos.
Exemplo 1. Transmissor pneumático com range de 0 – 40 kgf/cm2. Calcular o sinal de saída quando o sinal aplicado ao transmissor for de 32 kgf/cm2. Solução: Observe que o sinal de saída do transmissor deve estar compreendido na faixa de 3 a 15PSI. Obtenha a variação do sinal na saída do transmissor: 15 PSI – 3 PSI = 12 PSI Obtenha a variação do sinal aplicado à entrada do transmissor: 40 kgf/cm2 - 0 kgf/cm2 = 40 kgf/cm2 Relacione entrada e saída do transmissor, conforme segue (regra de três). 40 kgf/cm2
12 PSI
32 kgf/cm2
X
32kgf / cm 2 .12 PSI X = = 9,6 PSI 40kgf / cm 2 Observe que o valor encontrado representa a variação do sinal. A ele deve ser adicionado o valor inicial da faixa de transmissão para encontrarmos o valor do sinal de saída, conforme abaixo: Sinal de saída = 9,6 PSI + 3 PSI = 12,6 PSI.
Exemplo 2. Considere que o transmissor do exemplo 1 é eletrônico e calcule o sinal de saída nas mesmas condições: Solução: Observe que o sinal de saída do transmissor deve estar compreendido na faixa de 4 a 20mA. Obtenha a variação do sinal na saída do transmissor: 20 mA – 4 mA = 16 mA Obtenha a variação do sinal aplicado à entrada do transmissor: 40 kgf/cm2 - 0 kgf/cm2 = 40 kgf/cm2 17
Relacione entrada e saída do transmissor, conforme segue (regra de três). 40 kgf/cm2
16 mA
32 kgf/cm2
X
32kgf / cm 2 .16mA X = = 12,8mA 40kgf / cm 2 Observe que o valor encontrado representa a variação do sinal. A ele deve ser adicionado o valor inicial da faixa de transmissão para encontrarmos o valor do sinal de saída, conforme abaixo: Sinal de saída = 12,8 mA + 4 mA = 16,8 mA
Exercícios – Telemetria 1. Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão comecem com um valor maior que zero (ex: 1~5 Volts, 4~20 mA, 0.2 ~ 1.0 kgf/cm 2, 3 ~ 15 PSI)? 2. Qual o sinal de saída de um transmissor pneumático de pressão, com range de 0 a 300 atm, no qual foi aplicado uma pressão de 75 atm. 3. Um transmissor eletrônico de temperatura com range de 30 a 180οC, está medindo a temperatura de 150 οC. Qual o valor do sinal transmitido? 4. Um instrumentista ao medir a saída de um transmissor pneumático de nível, encontrou o valor de 10,2 PSI. Sabendo que o instrumento está calibrado no range de 0 a 10.000 mmca. Determine o valor em mmca que o transmissor está medindo? 5. Complete a tabela abaixo para um transmissor eletrônico de pressão com range de 0 a 200mmca. Valor aplicado (%) 0 20 40 60 80 100
Valor aplicado (mmca)
Sinal de saída (mA)
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Tecnologia eletrônica A figura 20 abaixo ilustra um sistema de controle, no qual o valor da variável medida é enviada ao centro de controle através de transmissores eletrônicos, com sinal padronizado de 4 a 20mA.
Sinal de Saída 4 a 20mA
Sinal de Saída 4 a 20mA
Transmissor de Vazão
Transmissor de Pressão
Sinal de Saída 4 a 20mA Válvula de Controle
Transmissor de Temperatura
Figura 20 - Telemetria (Tecnologia eletrônica)
No centro de controle estão os instrumentos denominados, geralmente, de receptores: indicador, registrador, controlador, contador, alarme etc. A partir dos quais o operador de processo opera a unidade de produção.
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Indicador O indicador é o instrumento que mostra a variável de processo através do conjunto escalaponteiro (indicação analógica), bargraph (barras gráficas) ou através de dígitos (indicação digital). O indicador pode ser local ou remoto, mecânico, pneumático ou eletrônico.
Figura 21 - Indicação analógica
Figura 22 - Indicação digital
Figura 23 - Indicação bargraph
Registrador O registrador é o instrumento que registra o valor da variável de processo em um gráfico através de uma pena. O registrador pode ser remoto ou local. O registrador pode ser contínuo, com 1 a 4 penas, ou multiponto, com o registro descontínuo de 6, 12 ou 24 pontos. O gráfico pode ser circular ou em tira. O gráfico de tira pode ser em rolo ou sanfonado. O acionamento do gráfico pode ser mecânico, elétrico e raramente pneumático.
Figura 24 - Registro contínuo (c/ tira em rolo)
Figura 25 - Registro circular
Figura 26 - Registro digital
Atualmente o registrador está sendo substituído, com vantagens, pelo computador digital usado para aquisição de dados (data logger). O computador digital utiliza suas vantagens inerentes de alta velocidade, de grande capacidade de armazenamento de dados, de possibilidade de mostrar os gráficos em telas de vídeo e de imprimir os dados em formulários contínuos. Há também registradores digitais, que permitem a programação dos sinais de entrada a ser registrado. Estes possuem a vantagem de não possuírem carta, e seus dados podem ser armazenados em memória para posterior consulta.
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Controlador O controlador é o principal instrumento da malha de controle. É o instrumento que recebe dois sinais: a medição da variável controlada (VP) e o set-point (SP). A função específica do controlador é a de comparar estes dois valores e gerar automaticamente um sinal de saída para atuar a válvula, de modo a diminuir ou eliminar a diferença entre a medição e o ponto de ajuste.
Figura 27 - Controlador pneumático (de campo)
Figura 28 - Controlador eletrônico analógico (de painel)
Figura 29 - Controlador digital multiloop (de painel)
As funções clássicas de um controlador são: executar sua função seguindo os passos de reconhecer a medição da variável, comparar com o valor desejado ou set-point previamente estabelecido, executar uma fase de computação que se resume em ações de controle do tipo proporcional, integral e derivativo (PID) e gerar um sinal de correção que tenderia a manter a variável controlada dentro dos limites estipulados. Os controladores após uma fase de mecânica pura foram padronizados em sinais de entrada e saída pneumáticos, cujos componentes principais eram o amplificador bico-palheta e os foles de realimentação e de ações de controle. Os primeiros controladores eram conhecidos com “caixa grande” que tinha dimensões aproximadas de 30cm X 40cm. Com a utilização de salas de controle, os controladores foram diminuindo de tamanho e chegaram a dimensões de 3” x 6” ou 72mm X 144mm, cujo reinado durou mais de quinze anos. Os chamados controladores atuais são reconhecidos como sendo “controladores convencionais analógicos” ou “controladores digitais single ou multiloop”. A diferença fundamental entre eles é que o “analógico” processa informações de forma analógica, e o “digital” processa informações por meio de componente microprocessados associados a circuitos binários. A figura 30 mostra um diagrama de blocos de um controlador convencional analógico. Cada função é executada continuamente por um circuito analógico composto por componentes passivos, tais como resistores, capacitores, e ativos como transistores, amplificadores operacionais etc. O sinal de entrada é o mesmo que está sendo processado e que gera o sinal de saída.
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Figura 30 - Diagrama de blocos de um controlador convencional analógico
A figura 31 mostra um diagrama de blocos de um controlador digital, que é formado basicamente, por circuitos condicionadores de sinal de entrada, cuja função é padronizar o sinal de entrada no circuito conversor analógico / digital (A/D) uma via de dados, unidade central de processamento (UCP), memórias EPROM, ROM e RAM, cuja função é executar os algoritmos de controle, um circuito conversor (D/A) e um circuito amplificador de saída compatível com os instrumentos a ele acoplados. Uma interface de comunicação para acoplamento a redes de sistemas hierarquicamente superiores.
Figura 31 - Diagrama de blocos de um controlador digital 22
Conversor Entre a válvula de controle e o controlador pode-se ter outro instrumento condicionador de sinal: o conversor. O conversor é o instrumento que converte o sinal padrão pneumático no sinal padrão de corrente eletrônica (P/I) ou vice - versa (I/P). Tipicamente usa-se o conversor I/P entre o controlador eletrônico e a válvula com atuador pneumático. De um modo geral, o conversor permite o uso de instrumentos pneumáticos e eletrônicos na mesma malha.
Figura 32 - Conversor I/P
Figura 33 - Conversor P/I
Figura 34 - Aplicação de conversores
Elemento final de controle São equipamentos que recebem o sinal de correção do controlador e, em função deste sinal modificam/atuam sobre a variável manipulada ou agente de controle. Dentre os elementos finais de controle, a válvula de controle pneumática, utilizada para regular a vazão de fluidos a partir da obstrução causada por uma peça móvel, chamada de obturador, é o elemento final de controle mais utilizados nas indústrias. Desempenham, também, este papel o damper, a resistência elétrica, o motor, a bomba, o braço de um robô etc.
Figura 35 - Válvula de controle
23
Exercícios – Função dos instrumentos 1. Qual diferença entre sensor ativo e passivo?
2. Explique a função do transmissor na malha de controle.
3. Dê exemplos de indicações analógica e digital do seu cotidiano.
4. Qual a importância do registrador na malha de instrumentação?
5. Tente explicar o que você entende por telemetria.
6. Descreva o papel do controlador na malha de controle.
7. Dê aplicações dos conversores: I/P e P/I.
8. Qual a função da válvula de controle?
24
1.4 CARACTERÍSTICASGERAIS DOS INSTRUMENTOS
Faixa nominal (Range) Faixa de indicação que se pode obter em uma posição específica dos controles de um instrumento de medição. A faixa nominal é normalmente definida em termos de seus limites inferior e superior, por exemplo: “100 a 200 οC”. Existem faixas começando do zero, como a faixa de temperatura de 0 a 100οC. Há, porém faixas com zero elevado, como a faixa de 20 a 120 οC. E existem faixas com o zero suprimido, como a faixa de -20 a 80 οC. 0
A
100°C
C
40°C
B
- 20
80°C
140°C
Figura 36 - Faixa nominal (Range)
Amplitude da faixa nominal (Span) Diferença, em módulo, entre os dois limites de uma faixa nominal. Para os exemplos anteriores de faixa de nominal, a amplitude de faixa é respectivamente igual a:
A = 100°C
B = 100°C
C = 100°C
Faixa de medição ( Measuring range) Faixa de trabalho ( Working range) Conjunto de valores de um mensurando para o qual se admite que o erro de um instrumento de medição mantém-se dentro dos limites especificados.
Sensibilidade (Sensitivity) Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação do estímulo.
Exatidão de um instrumento de medição (Accuracy of a measuring instrument) Aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.
25
Classe de exatidão (Accuracy class) Classe de instrumentos de medição que satisfazem a certas exigências metrológicas destinadas a conservar os erros dentro de limites especificados.
Precisão (Precision) É o grau de concordância mútua e consistente entre várias medições individuais, principalmente relacionadas repetibilidade e reprodutibilidade. A precisão é uma medida do grau de liberdade dos erros aleatórios do instrumento. A precisão é a qualidade que caracteriza um instrumento de medição dar indicações equivalentes ao valor verdadeiro da quantidade medida. A precisão está relacionada com a qualidade do instrumento.
Boa precisão Grande repetibilidade
Ruim precisão Pequena repetibilidade
Exato Grande repetibilidade
Figura 37 - Representação de precisão, repetibilidade e exatidão
A precisão pode ser expressa de diversas maneiras, como: a) percentagem do span b) percentagem do valor medido c) percentagem do valor máximo da escala do instrumento d) percentagem do comprimento da escala e) direto em unidade de engenharia
Rangeabilidade (Rangeability) Rangeabilidade significa, a relação entre o máximo e o mínimo valor da variável medida, ambos com a mesma precisão. Por exemplo, quando se mede uma temperatura de 100°C com a mesma precisão que, se mede 5°C, tem-se uma rangeabilidade de 100 / 5 = 20. É sempre útil se associar o fator precisão do instrumento com a sua rangeabilidade, em vez de tratar a precisão isoladamente.
26
1.5 TERMOS METROLÓGICOS APLICADOS EM INSTRUMENTAÇÃO
Valor verdadeiro O valor verdadeiro é o valor real atribuído à quantidade. O valor verdadeiro da quantidade nunca pode ser achado e não é conhecido. O valor atribuído a uma quantidade somente será conhecido com alguma incerteza ou erro. Na prática, o valor verdadeiro é substituído pelo valor verdadeiro convencional, dado por um instrumento de medição padrão disponível. Por exemplo, se um medidor é considerado ser capaz de fornecer medições com erro menor que ± 1% do valor medido, ele pode ser calibrado com um instrumento com erro menor que ± 0,1% do valor medido, na mesma faixa. Neste caso, o segundo instrumento fornece o valor verdadeiro convencional. Por norma, o instrumento padrão deve ter um erro de 4 a 10 vezes menor que o instrumento a ser calibrado. O objetivo de toda medição é o de obter o valor verdadeiro da variável medida e o erro é tomado como a diferença entre o valor medido e o valor verdadeiro.
Calibração Conjunto de operações que, estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição ou sistema de medição ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidos por padrões.
Ajuste Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com seu uso.
Padrão Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência. Exemplos: massa padrão de 1kg, resistor padrão de 100Ω.
Padrão de trabalho Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de referência. Observações: 1) Um padrão de trabalho é geralmente calibrado por comparação a um padrão de referência. 27
2) Um padrão de trabalho utilizado rotineiramente para assegurar que as medições estão sendo executadas corretamente é chamado padrão de controle.
Padrão de referência Padrão, geralmente tendo a mais alta qualidade metrológica disponível em um dado local ou em uma dada organização, a partir do qual as medições lá executadas são derivadas.
Repetitividade (de resultado de medições) Repetibility (of results of measurements) Grau de concordância entre medições sucessivas de um mesmo mensurando efetuadas sob as mesmas condições de medição. Observações: 1) Estas condições são denominadas condições de repetitividade. 2) Condições de repetitividade incluem: - mesmo procedimento de medição; - mesmo observador; - mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas condições; - mesmo local; - repetição em curto período de tempo. 3) Repetitividade pode ser expressa, quantitativamente, em função das características da dispersão dos resultados.
Incerteza de medição (Uncertainty of measurements) Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentadamente atribuídos a um mensurando. Observações: 1) O parâmetro pode ser, por exemplo, um desvio padrão (ou um múltiplo dele), ou a metade de um intervalo correspondente a um nível de confiança estabelecido. 2) A incerteza de medição compreende, em geral, muitos componentes. Alguns destes componentes podem ser estimados com base na distribuição estatística dos resultados das séries de medições e podem ser caracterizados por desvios padrão experimentais. Os outros componentes, que também podem ser caracterizados por desvios padrão, são avaliados por meio de distribuição de probabilidades assumidas, baseadas na experiência ou em outras informações.
28
3) Entende-se que o resultado da medição é a melhor estimativa do valor do mensurando, e que todos os componentes da incerteza, incluindo aqueles resultantes dos efeitos sistemáticos, como os componentes associados com correções e padrões de referência, contribuem para a dispersão.
Erro O erro é a diferença entre o valor medido e o valor ideal teórico verdadeiro (resultado de uma medição menos o valor real do mensurado). O contrário de erro é a precisão. Um instrumento muito preciso apresenta pequeno erro. Existem vários adjetivos para modificar o erro. Existe o erro ilegítimo, o erro sistemático e erro dinâmico.
a - erro ilegítimo é o erro grosseiro ocasionado por um engano do operador ou sua inabilidade. Por exemplo, errar em potência de l0, ler em escala errada. Ele deve ser desprezado e não tem nenhum significado. b - erro sistemático, quando se tem todas as medições aproximadamente repetitivas deslocadas do valor verdadeiro, aproximadamente do mesmo valor. Esse valor do deslocamento é chamado de polarização do erro. Geralmente, o erro sistemático pode ser diminuído ao mínimo por meio de nova calibração do instrumento de medição. Ou seja, novos ajustes de zero, de largura de faixa , de linearidade, podem minimizar o erro sistemático que o instrumento apresenta. erro de zero
erro de faixa
erro de linearidade
Figura 38 - Representação dos tipos de erro sistemático
c - erro dinâmico, sempre está associado a um atraso e inércia da variável medida. Por exemplo, quando se faz a medição de temperatura através de termômetro com enchimento termal, é necessário se esperar que o sistema fique em equilíbrio. É de conhecimento geral, o modo de se medir a temperatura de uma pessoa febril com um termômetro de haste: tem-se que esperar alguns minutos para ler a temperatura. O tempo esperado deve ser igual ao tempo que o termômetro leva para entrar em equilíbrio com a temperatura do corpo humano. Qualquer leitura antes do equilíbrio contém um erro grande; geralmente a temperatura indicada é menor que o valor verdadeiro. Limite de erro permissível Valores extremos de um erro, permitidos pela especificação, regulamentação, etc. para um equipamento de medição. 29
Incerteza de medição Erro associado a uma dada medição obtido através de análise estatística do processo/sistemática de metrologia do ensaio utilizado. No caso de medição por malha, o cálculo da incerteza da malha, será feito utilizando a seguinte fórmula: Im =
2
2
2
I 1 + I 2 + I
n
Onde: Im = incerteza da malha de medição e In = incertezas individuais dos instrumentos utilizados
Rastreabilidade Propriedade do resultado de uma medição pela qual esta pode estar relacionada com os padrões de medição apropriados, geralmente internacionais ou nacionais, através de uma cadeia ininterrupta de comparações.
Exercícios – Características de instrumentação 1. Determine o alcance nominal (span) das seguintes faixas de trabalho: a) b) c) d) e) f)
-10 a 220 οC 20 a 250 kgf/cm2 -100 a 100 mmca 3 a 15 PSI 0 a 1500 l/min 0,2 a 1,0 kgf/cm2
2. Defina: a) erro
b) calibração
30
1.6 SIMBOLOGIA - NOMENCLATURA As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir a essência da norma ANSI ISA S. 5.l (The Instrumentation, Symbols and Identification) da ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society). Letra
1º grupo de letras
2º grupo de letras
Variável medida ou iniciadora
Função
1ª letra
Passiva ou de Informação Alarme.
Modificadora
A
Análise
B
Chama
C
Escolha do usuário
D
Escolha do usuário
E
Tensão
F
Vazão
G
Escolha do usuário
H
Manual
I
Corrente elétrica
J
Potência
K L
Tempo ou temporização Nível
M
Escolha do usuário
N
Escolha do usuário
O
Escolha do usuário
P
Pressão
Q
Quantidade
R
Radiação
S T
Velocidade ou frequência Temperatura
U
Multivariável
V W
Vibração ou análise mecânica Peso ou força
X
Não classificada
Eixo dos x.
Y
Estado, presença ou seqüência de eventos Posição ou dimensão
Eixo dos y.
Z
Ativa ou de saída
Modificadora
Controlador. Diferencial. Sensor (elemento primário). Razão. Visão direta. Alto. Indicador. Varredura ou seleção manual. Estação de controle. Lâmpada piloto.
Baixo.
Instantâneo.
Médio ou intermediário Orifício de restrição. Ponto de teste
Integração ou totalização. Registrador. Segurança.
Chave. Transmissor. Multifunção. Válvula ou defletor (damper ou louver ).
Eixo dos z.
Poço ou ponta de prova. Não classificada.
Não classificada.
Não classificada.
Relé, relé de computação ou conversor, solenóide. Acionador, atuador para elemento final de controle não classificado.
uadro 1 - Letras de identifica ão de instrumentos ou fun ão ro ramada
31
De acordo com esta norma, cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A seguir temos um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em referência. INDENTIFICAÇÃO DO INSTRUMENTO F
IC
VARIÁVEL
FUNÇÃO
IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL
100
05
ÁREA DE N° DE SEQ. DA ATIVIDADE MALHA IDENTIFICAÇÃO DA MALHA
B SUFIXO
Quadro 2 - Simbologia de identificação
Onde:
FIC-100-05B
F - variável medida ou iniciadora: vazão I - função passiva ou de informação: indicador C - função ativa ou de saída: controlador 100 - área de atividade, onde o instrumento ou função programada atua 05 - número seqüencial da malha B - sufixo Símbolos gerais utilizados para representar instrumento ou função programada.
Figura 39 - Símbolos gerais (instrumento ou função programada)
32
A figura 40 mostra os símbolos e funções de processamento de sinais (relés).
Figura 40 - Símbolos e funções de processamento matemático
Símbolos utilizados para representar linhas para instrumentos ou funções programadas, de acordo com a norma em referência.
Figura 41 - Representação de linhas
33
Exercícios – Instrumentação básica e simbologia 1) Cite a função de cada componente das malhas abaixo:
2. Faça um diagrama de interligação dos instrumentos / dispositivos de uma malha de controle para medição e controle de vazão contendo: placa de orifício, transmissor diferencial de pressão, extrator de raiz quadrada, controlador, registrador, integrador e válvula de controle. Utilize a norma ANSI / ISA S5.1 e instrumentos / sinais eletrônicos.
34
2 MEDIÇÃO DE PRESSÃO 2.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS A pressão entre todas as variáveis de processo se ressalta pela sua importância, pois diversas outras variáveis são medidas utilizando-se indiretamente a pressão: temperaturas podem ser medidas pela utilização de um bulbo de enchimento cuja pressão interna é relacionada à temperatura; vazão pode ser medida relacionando-se a diferença entre as pressões de entrada e de saída de uma placa de orifício com o fluxo através da mesma; o nível de um tanque geralmente é medido pela pressão exercida pelo líquido na base inferior do tanque. Além dessas aplicações, mede-se pressão para manter composição de produtos, por razões de segurança, para verificação da eficiência de equipamentos como bomba e compressor. Pressão é a relação entre uma força e a superfície sobre a qual ela atua. F
P =
90
F A
Figura 42 - Representação da pressão no plano
Existem diversos tipos de pressão, em função da referência utilizada. Por exemplo: pressão atmosférica é a pressão devida ao peso do ar existente sobre uma área unitária ao nível do mar. Ela varia, portanto, conforme o local, pois o peso do ar atmosférico depende da altitude e das condições meteorológicas do local. Normalmente a pressão é medida em relação à pressão atmosférica existente no local e neste caso é chamada de pressão efetiva, pressão relativa ou pressão manométrica e pode ser positiva ou negativa. A pressão menor que a pressão atmosférica é chamada vácuo. A pressão absoluta é a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e a pressão efetiva. P relativa
P absoluta
0
P atmosférica 760 mm Hg
0 Vácuo total Figura 43 - Diferentes tipos de pressão 35
A maior parte dos medidores de pressão mede pressão relativa, isto é, pressão a partir da pressão atmosférica. Pressão relativa = Pressão absoluta - Pressão atmosférica Em casos especiais é medida a pressão absoluta, ou seja, a partir do vácuo absoluto. Pressão absoluta = Pressão relativa + Pressão atmosférica A pressão pode ser dada em qualquer unidade que expresse o quociente de uma força por uma área, ou uma altura de coluna líquida de peso específico conhecido. Na indústria as unidades mais usadas para pressão são mostradas na tabela abaixo;
Tabela 1 - Tabela de conversão de unidade de pressão 2
2
Kgf/cm PSI Pol Hg Pol H 2O Atm mm Hg mm H 2O Kpa Bar
Kgf/cm
PSI
Pol Hg
1 0,0703 0,0345 0,0025 1,033 0,00135 0,00009 0,01019 1,019716
14,223 1 0,4911 0,03611 14,696 0,01933 0,00142 0,1450 14,5037
28,96 2,036 1 0,07353 29,923 0,03937 0,00289 0,29529 29,61340
Pol H 2O
393,83 27,689 13,599 1 406,73 0,5354 0,03937 4,0158 401,8581
Atm
mm Hg
0,9678 0,068 0,0334 0,00245 1 0,00131 0,00009 0,00986 0,986923
735,56 51,71 25,399 1,8677 760,00 1 0,07353 7,50056 750,0637
mm H 2O kPa
10.003 703,29 345,40 25,399 10330 13,598 1 101,998 10197,42
Bar
98,07 6,895 3,3863 0,24901 101,332 0,13332 0,0098 1 101,9741
0,9806 0,0689 0,0337 2,4884 1,0132 1,33e-3 98,06e-6 0,0100 1
Para calibrar instrumentos é necessário fazer conversão entre unidades de pressão. A seguir um exemplo ilustrativo: Exemplo número 1: Um instrumentista retirou do processo um transmissor com range de 0 a 100 pol H2O. Ao chegar no laboratório constatou que o padrão de pressão que ele utilizará está na unidade Kpa! Veja como proceder a conversão para poder utilizar o padrão. Solução: Identifique, na tabela, a relação entre polH2O e Kpa e arme a regra de três, conforme abaixo:
1 polH 2 O → 0,24901Kpa 100 polH 2 O → X X =
100 polH 2 O.0,24901Kpa 1 polH 2 O
⇒ X =
24,901Kpa
36
Exemplo número 2: Deseja-se converter o valor da pressão no topo de uma coluna de destilação de 0,8 kgf/cm2 para mm H2O. Solução: Identifique na tabela a relação entre polH2O e Kpa e arme a regra de três, conforme abaixo: 1kgf / cm 2 → 10.003mmH 2 O 0,8kgf / cm 2 → X 0,8kgf / cm2 .10.003mmH 2O X = 1kgf / cm2
⇒ X =
8002.3mmH 2O
Os dispositivos usados nas tomadas de impulso de pressão podem ser classificados de acordo com seu princípio de funcionamento: a - Por equilíbrio de uma força desconhecida contra uma força conhecida - Colunas de líquido (Tubo em U, etc.) b - Por meio de deformação de um material elástico - Tubo de Bourdon (em forma de C, espiral ou helicoidal) - Membrana - Fole c - Por meio de variação de uma propriedade física (base dos transmissores eletrônicos de pressão) -
Resistivo (Strain gauge) Capacitivo Indutivo Piezo-elétrico Ótico Silício ressonante
2.2 COLUNA DE LÍQUIDO As colunas têm como princípio de funcionamento o equilíbrio da força a ser medida com a força exercida por uma coluna líquida. Podem ser de três tipos: Em “U”, reta vertical e reta inclinada.
37
Coluna em “U” - Consiste, basicamente, num tubo de vidro, em forma de "U", contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. Os líquidos mais utilizados nas colunas em "U" são a água e o mercúrio. Normalmente, o nível do líquido nos dois braços da coluna é o mesmo. Mas, no momento em que uma pressão é aplicada a um dos braços, o líquido é deslocado para o outro. O desnível entre os topos das colunas líquidas indica, na escala, o valor da pressão aplicada. O manômetro em "U" indica sempre uma pressão diferencial, isto é, a diferença de pressão entre dois pontos. Um desses pontos de pressão pode ou não ser a pressão atmosférica. Devido ao seu alto grau de precisão, a coluna em "U" é utilizada como padrão para calibração de outros instrumentos de pressão. Coluna reta vertical - O emprego é idêntico à da coluna em “U”. A pressão, sendo aplicada no ramo de maior área, provoca um pequeno deslocamento vertical nesse ramo, enquanto que no de menor diâmetro teremos um grande deslocamento vertical do fluído.
Figura 44 - Coluna em “U”
Figura 45 - Coluna reta vertical
Coluna reta inclinada - É empregada quando se quer medir pequenas pressões. Possui o ramo de menor diâmetro em ângulo.
Figura 46 - Coluna reta inclinada 38
2.3 TUBO DE BOURDON É o tipo de manômetro mais empregado. Consta de um tubo metálico de seção transversal elíptica, tendo uma de suas extremidades fechada e ligada a uma alavanca que aciona o mecanismo de indicação. A alavanca fixa ao tubo de Bourdon aciona a alavanca dentada e essa, por sua vez, se move em torno de um ponto fixo, transmitindo seu movimento ao ponteiro. A pressão age sobre as paredes internas do tubo de Bourdon, o qual tende a tomar a forma de um tubo de seção circular, provocando um deslocamento no sentido longitudinal e movimentando o mecanismo de indicação. Os tubos de Bourdon industriais podem ter diversos tamanhos e são constituídos em forma de "C", em espiral ou ainda em forma helicoidal, dependendo da pressão a ser medida.
Figura 47 - Tubo de bourdon tipo “C” e manômetro
Em instrumentação o manômetro em forma de "C" é para uso em geral, fazendo indicações de pressões até 1000 kgf/cm2. O espiral é para pressões de 1kgf/cm2 a l5kgf/cm2 e o helicoidal para pressões superiores a l5kgf/cm2, de maneira geral.
Figura 48 - Tubo de bourdon helicoidal
Figura 49 - Tubo de bourdon espiral
Vantagens As principais vantagens dos tipos espiral e helicoidal são: - movimento de maior amplitude - mais força - resposta mais rápida - isenção da faixa morta 39
- maior precisão Os materiais mais empregados na fabricação de manômetros com tubo de Bourdon são ligas de cobre-níquel e bronze fosforoso, por terem baixos coeficientes de dilatação e possuírem boa elasticidade. O aço inoxidável também é utilizado na confecção do tubo de Bourdon sendo sua precisão muito menor. Observação - Devido a elasticidade do material ser ilimitada, deve-se utilizar o manômetro dentro da faixa para a qual foi construído a fim de não deformar definitivamente o tubo de Bourdon. Por outro lado, o uso de pressões muito abaixo de sua limitação provocará imprecisão na indicação. 2.4 MEMBRANA OU DIAFRAGMA É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada. O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.
Figura 50 - Diafragma
Figura 51 - Cápsula diafragma
Muitos materiais se prestam para a fabricação de diafragmas, por exemplo, teflon, borracha, liga de bronze fosforoso etc. Algumas vezes dois ou mais diafragmas são unidos para formar uma cápsula. 2.5 FOLE O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado, fabricado com uma lâmina fina de bronze fosforoso, aço inoxidável ou outros materiais de boa flexibilidade. Quando uma pressão é aplicada ao interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que "vencer" a flexibilidade do material, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada. Do mesmo modo, se a pressão for aplicada à parte externa, provocará a contração do fole. O manômetro de fole é utilizado apenas para medir baixas pressões.
40
Figura 52 - Fole
2.6 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 (deformacão de sólidos) sofrem quando submetidos a uma pressão/esforço. Este movimento/deformacão, que é proporcional a pressão aplicada (lei de Hooke), é convertido através de um transdutor em um sinal pneumático ou eletrônico padronizado, que é enviado/transmitido para indicacão e/ou controle a distância. 2.6.1 Transmissor pneumático 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 de 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 PI, intermediária entre Ps e a pressão atmosférica.
41
Figura 53 - Sistema bico-palheta
O transmissor pneumático usualmente utilizado em aplicações industriais de medição de pressão, e o transmissor tipo equilíbrio de forças, com elemento primário mecânico elástico e transdutor tipo bocal-obturador ou bico-palheta (figura 54).
Figura 54 - Transmissor pneumático de pressão tipo equilíbrio de forças
Neste tipo de instrumento, a pressão do processo movimenta/deforma o elemento metálico elástico de medição (diafragma). Este movimento/deformação é transmitido a 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, esta 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 conseqüência, varia as pressões de saída do instrumento e do seu fole de realimentação. 42
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 2 sinal de saída do transmissor (faixa de 0,2 a 1,0 kgf/cm ), 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, registro ou controle. 2.6.2 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 combinação destes elementos, é conectado ao processo e se movimenta/deforma/desloca em função da pressão do processo aplicada sobre ele. Este 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; extensométricos; piezoelétricos.
A seguir descreveremos o princípio de funcionamento do transmissor capacitivo por ser um dos mais utilizados em medição de pressão nos processos industriais. 2.6.2.1 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 de aplicação de pressão. Neste instrumento, a pressão de processo e 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 (movimento máximo á da ordem de 43
0,004 polegadas) é proporcional ao diferencial de pressão aplicada nos diagramas isoladores.
Figura 55 - 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 150pf) é convertido eletronicamente, resultando no sinal de saída do transmissor (4 a 20mAcc), que é transmitido para um receptor eletrônico para fins de indicação, registro e /ou controle. 2.6.3 Strain gauge Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência: R =
R : Resistência do condutor ρ : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal
ρ S
. L
A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal . A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial como mostrado a seguir:
Figura 56 - Variação da dimensão de condutor devido à tração 44
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 de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando-se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica como vemos na figura a seguir 57.
Figura 57 - Tira extensiométrica
Observa-se 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 extremidade será o ponto de aplicação de força.
Figura 58 - Aplicação de força a tira extensiométrica
Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer 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) .
45
Figura 59 - Esforços de tração e compressão
Como o fio solidário à lâmina, também sofrerá o alongamento, acompanhando a superfície externa, variando a resistência total. Visando aumentar a sensibilidade do sensor, usaremos um circuito sensível à variação de resistência e uma configuração conforme esquema a seguir:
Figura 60 - Configuração do sensor
Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone, como mostrado a seguir, que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco.
Figura 61 - Sensor Strain Gauge com circuito de medição em ponte
46
2.6.4 Silício ressonante O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando o diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, a fim de que essa freqüência seja proporcional à pressão aplicada.
Figura 62 - Sensor de silício ressonante
Na seqüência será exibido maiores detalhes sobre esse tipo de célula, sua construção e seu funcionamento.
Figura 63 - Construção do sensor
Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, porém, para uma melhor compreensão de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais. Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor. Ele possui um imã permanente e o sensor de silício propriamente dito.
47
Figura 64 - Conjunto sensor
Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Este enfoque pode ser observado na figura abaixo.
Figura 65 - Funcionamento do sensor de silício ressonante
Portanto, a combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do sensor. Um dos sensores ficará localizado ao centro do diafragma (FC), enquanto que o outro terá a sua disposição física mais à borda do diafragma (FR) 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. 48
Desta maneira, os sensores possuirão uma diferença de freqüência entre si. Esta diferença pode ser sentida por um circuito eletrônico, tal diferença de freqüência será proporcional ao ∆P aplicado. Na figura a seguir é exibido o circuito eletrônico equivalente.
Figura 66 - Circuito eletrônico do sensor de silício ressonante
Através dessas informações é possível criar um gráfico referente aos pontos de operação da freqüência x pressão.
Figura 67 - Variação da freqüência com a pressão
2.6.5 Pressostato Chave que tem seu contato elétrico comutado em função da pressão aplicada ao seu elemento sensor, contra uma pressão de referência (set-point ) previamente estabelecida. O pressostato pode ser de alta ou baixa pressão: PSH ou PSL. Designados para acionar um alarme de alta ou baixa pressão: PAH ou PAL. Há também pressostato de pressão muito alta e pressostato de pressão muito baixa, designado respectivamente por: PSHH e PSLL, utilizados em sistemas de intertravamento para interromper o funcionamento de um equipamento ou mesmo interromper a operação de da planta em caso de emergência. 49
Figura 68 - Pressostato
Exercício – Medição de Pressão 1. Cite 4 razões da medição de pressão no ambiente industrial.
2. Defina pressão.
3. Faça as seguintes conversões de unidade: a) b) c) d) e) f)
200 polH2O em kgf/cm2 10 PSI em mmH20 0,2 Bar em Kpa 100 Kpa em mmH2O 20 pol Hg em Atm 150 mmHg em PSI
4. Explique em linhas l inhas gerais o funcionamento do manômetro de Bourdon tipo ti po “C”
5. Explique em linhas l inhas gerais o funcionamento do sensor capacitivo de pressão.
50
3 MEDIÇÃO DE NÍVEL 3.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Uma grande variedade de instrumentos para medição e controle de nível está disponível no mercado atual, de modo a atender aos mais diversos requisitos das indústrias de processo. São utilizados desde instrumentos mais simples como fitas, bóias e réguas, até os mais sofisticados como métodos de medição pela radiação nuclear. Sem dúvida, nível é das variáveis mais importantes, aplicáveis em inventário e quantificação de armazenamento de produtos e matérias primas, operação de colunas de fracionamento, controle de nível de água em caldeiras, e muitos outros. Há muitas aplicações onde à precisão não é tão importante, ou seja, necessita-se apenas saber se determinado nível foi atingido, para se efetivar alguma ação automática ou indiretamente pelo operador após o alarme. Por outro lado, há muitas situações nas quais um controle preciso é necessário, principalmente quando o nível tem influência na qualidade ou custo, como caldeiras, reatores, etc. Nível é a altura do conteúdo de um reservatório. O conteúdo pode ser sólido ou líquido. Medir ou controlar nível de uma substância qualquer, sejam líquidas ou sólidas, significa determinar a quantidade dessa substância em um reservatório, monitorando enchimento ou esvaziamento e até mesmo mantendo-a fixa. O controle do nível, embora não notemos, faz parte do nosso dia-a-dia. Por exemplo, a bóia da caixa d’água de uma residência que exerce o controle para não deixar que falte água, a lavadora de roupas e a lavadora de pratos e o tanque de combustível nos veículos. Entender as técnicas de medição de nível é somente uma parte da resposta aos problemas de controle de nível. Saber qual técnica utilizar em cada aplicação é o resto da solução. A experiência também auxilia na escolha, pois, em determinadas situações, grandes dificuldades podem surgir para que se efetue uma correta seleção. Tipos básicos de medição de nível:
MEDIÇÃO DIRETA: Efetuada sob a superfície do líquido geralmente com o emprego de flutuadores, ou através de visores de nível.
⇒
MEDIÇÃO INDIRETA: Neste tipo de medição são usadas propriedades físicas ao nível, como: pressão, empuxo e radiação. ⇒
3.2 VISOR DE NÍVEL Usa-se o princípio de vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver haver uma escala graduada acompanhando acompanhando o visor. Esta medição é feita em tanque aberto e tanque fechado. Os visores de nível permitem ao operador acompanhar o nível diretamente no equipamento pela leitura direta. São formados basicamente por válvulas, que permitem a conexão ao vaso, e por um corpo que pode ser um tubo de vidro simples ou reforçado por carcaça metálica, de acordo com as condições de temperatura e pressão. 51
Figura 70 - Visor de nível Figura 69 - Visor de nível
3.3 MEDIÇÃO POR BÓIA Consiste numa bóia presa a um cabo que tem a sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está está fixo um ponteiro ponteiro que indicará indicará diretamente o nível em uma uma escala. escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos. Em tanques fechados e pressurizados, a bóia é fixada por uma fita metálica que tem a outra extremidade presa a uma roldana acionada por por uma mola. Esta roldana irá transmitir, mecanicamente mecanicamente ou magneticamente, magneticamente, o movimento para um conjunto de engrenagens engrenagens de um indicador.
Figura 71 - Medição de nível por bóia em tanque aberto
Figura 72 - Medição de nível por bóia em tanque fechado
52
3.4 MEDIÇÃO POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA Para esta medição usa-se a própria pressão exercida pelo líquido. A indicação, porém, será de acordo com o peso específico desse líquido. Se medirmos a pressão "P" exercida por uma coluna líquida no fundo de um reservatório, o nível em função da altura "h" do líquido será dado pela equação: h =
P
γ
Onde: h = nível P = pressão no fundo do tanque γ = peso específico do líquido O princípio de funcionamento dos transmissores de pressão diferencial é o equilíbrio de forças, onde as pressões que definem um dado diferencial são aplicadas nas conexões de entrada do instrumento a câmaras situadas em lados opostos, estanques entre si e separadas por um elemento sensível. 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 modula uma grandeza elétrica e gera na saída do transmissor um sinal padronizado 4 a 20 mAcc proporcional ao nível. Na figura abaixo temos uma faixa de 0% a l00% onde desejamos medir o nível. Quando o nível estiver em 0% da faixa, haverá uma coluna que provocará a elevação do zero do instrumento. Esta elevação é compensada através do parafuso de ajuste de elevaçãosupressão, que, normalmente, vem adicionado ao tipo de instrumento utilizado para esta medição. Com este ajuste, recolocamos o ponteiro em zero. 100%
elevação 0%
Figura 73 - Medição de nível por pressão hidrostática
Para medição em vasos pressurizados: A tomada da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão; a pressão atuante na câmara de alta pressão é a soma da pressão exercida sob o liquido e a da coluna do líquido. A câmara de baixa pressão é conectada somente à pressão exercida sob a superfície. Caso a tomada de impulso de baixa pressão opere com líquido, seja de selo ou de condensado, o zero do instrumento é acertado no ajuste de elevação-supressão. 53
Figura 74 - Medição de nível por pressão diferencial
3.5 MEDIÇÃO DE NÍVEL COM BORBULHADOR Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás inerte e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente à pressão devido ao peso da coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância.
Figura 75 - Medição de nível com borbulhador
54
3.6 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado.” A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. E = V .
Onde: E = empuxo V = volume deslocado γ = peso específico do líquido Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.
Figura 76 - Medidor de nível por empuxo
Figura 77 - Medição de nível por empuxo (Displacer)
55
Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos não miscíveis, veja figura 78.
Figura 78 - Medição de interface usando empuxo
Na indústria, muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque contendo 2 líquidos diferentes.Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação do empuxo conforme citaremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em 2 líquidos com pesos específicos diferentes γ 1 e γ 2 . Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a soma dos empuxos E 1 e E 2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos γ 1 e γ 2 , respectivamente. O empuxo será dado por: E T = E 1 + E 2
Onde: E 1 = V 1 .γ 1
e E 2 = V 2 .λ 2
Assim para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo. 3.7 MEDIDOR POR ULTRA-SOM O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso). 56
Figura 79 - Medidor de nível por ultra-som
Figura 80 - Medição de nível por ultra-som (instalação)
Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultrasom, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som. Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua. Os dispositivos destinados à detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto. Este tipo de medição se baseia na emissão de um sinal ultra-sônico numa superfície refletora e a recepção do eco do mesmo num receptor. O tempo de atraso na recepção depende do nível do reservatório. Montado no topo de um reservatório um conjunto emissor-receptor de ondas sonoras emite e capta o sinal refletido na superfície do líquido. Medindo-se o tempo transcorrido entre a emissão e a recepção do eco, é possível determinar o espaço percorrido pelo som, que é a parte vazia do tanque, e por diferença tem-se assim a medida do nível. Trabalha com freqüências entre 35 e 70kHz e mede faixas até 20 m. Temperaturas do processo de 80 oC a 150 oC e pressões de 3 a 40 Bar.
57
A medição ultra-sônica é especialmente indicada para aplicações corrosivas e sujas, bem como para líquidos, lamas e sólidos a granel. São possíveis medições contínuas, multiponto e controle. As unidades ultra-sônicas não são confiáveis na presença de espuma na superfície. Interferência de líquidos em queda, vapores densos e pós podem interromper a saída dos transmissores. Sólidos a granel possuem a tendência de formação de ângulos, buracos ou movimentação que diminuem a precisão dos transmissores (em torno de 0,25% do fundo de escala). 3.8 MEDIDOR DE NÍVEL POR RADAR Possui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é a imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detector, porém possui um custo relativo alto.
Figura 81 - Medidor de nível radar
Figura 82 - Medição de nível por radar (instalação)
Impulsos de microondas extremamente curtos são emitidos por um sistema de antena e refletidos pelo meio. Devido a um procedimento especial de varredura, é possível medir os tempos com uma precisão muito alta e calcular o nível. Trabalha com freqüências de 5,8 GHz e mede faixas de 0,25 a 15 m. Temperaturas do processo de –20 oC a 80 oC e pressões de –0,3 a 3 Bar.
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3.9 MEDIÇÃO NÍVEL POR RADIAÇÃO Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos, torna-se possível, em qualquer momento, realizar manutenção desses medidores, sem interferência ou mesmo paralização do processo. Dessa forma, os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil, corrosivos, abrasivos, muito quentes, com pressões elevadas, ou de alta viscosidade. O sistema de medição por radiação gama (radiação eletromagnética, semelhante à onda hertziana ou à luz, porém de freqüência diferente. Usada devido à alta capacidade de penetração, bem como a possibilidade industrial de sua obtenção pela utilização de rádioisótopo) consiste em um emissor de raios-gama (geralmente uma fonte de Césio 137) montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque, teremos um contador GEIGER que transforma a radiação-gama recebida em sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional à massa líquida do tanque, a radiação captada pelo detector é inversamente proporcional ao nível do líquido, já que o material bloqueará parte da energia emitida.
Figura 83 - Medição de nível por radiação
3.10 MEDIÇÃO DE NÍVEL POR CAPACITÂNCIA A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque (Fig.84). A capacidade do conjunto depende do nível do líquido. O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores se empregam um eletrodo normal, em fluídos condutores o eletrodo é isolado normalmente com teflon. A medida que o nível do tanque for aumentando o valor da capacitância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.
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Figura 84 - Medidor de nível capacitivo com eletrodo
Figura 85 - Medidor de nível capacitivo com placa
A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sondas de proximidade. A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque, Fig. 85. 3.11 CHAVE DE NÍVEL Chave que tem seu contato elétrico comutado em função do nível percebido pelo seu elemento sensor, contra um valor de referência (set-point) previamente estabelecido. A chave pode ser de alto ou baixo nível: LSH ou LSL. Designadas para acionar um alarme de alto ou baixo nível: LAH ou LAL. Há também chave de nível muito alto e chave de nível muito baixa, designada respectivamente por: LSHH e LSLL, utilizadas em sistemas de intertravamento para interromper o funcionamento de um equipamento ou mesmo interromper a operação da planta em caso de emergência.
Figura 86 - Chave de nível
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Exercícios – Medição de Nível 1. Cite 4 razões da medição de nível no ambiente industrial.
2. Defina nível.
3. Cite 4 unidades de nível:
4. Explique em linhas como se mede nível por pressão diferencial em tanques abertos e fechados.
5. Diga o princípio de funcionamento dos seguintes medidores de nível: ultra-som , radar e capacitivo.
6. Explique o funcionamento do medidor de nível por empuxo e cite uma aplicação prática.
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4 MEDIÇÃO DE VAZÃO 4.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Líquidos gases e vapores em movimento podem ser medidos com relação à sua vazão. Vazões são volumes ou massas determinados por unidade de tempo e podem ser medidos sob a forma de vazão volumétrica, por exemplo, m3 /h, BPD ( Barris por dia) , SCFM ( Standart Cubic Feet per Minute – Pés Cúbicos Padrões por Minuto) e litros/min, ou vazão mássica, por exemplo, T/h e Kg/s. Na indústria, mede-se vazão por várias razões: para fazer balanço de massa, contabilizar produtos que são vendidos por tubovia, quantificar produção de materiais etc. Relações principais l galão (americano -USGPM) l galão (imperial – IGPM) l SCFM 1 m3 l litro 1 m3 l barril 1 m3 l libra l Kg
= 3,7853 litros = 4,545 litros = 0,0283168 m3 /min. = 1000 litros = 1000 cm3 = 35,8147 pés cúbicos = 42 galões = 159 litros = 264,18 galões = 0,4536 Kg = 2,2046 libras
A medida da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção e a interpretação dos resultados obtidos. O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor deve ser considerado globalmente e não apenas o medidor isolado (este conjunto pode incluir retificadores de fluxo, filtros e tomadas de medições). A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita a análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes. Os três conceitos mais importantes na vazão de um fluido oriundos da Mecânica de Fluidos são: 1. princípio da conservação de massa, no qual é desenvolvida a equação da continuidade. 2. princípio da energia cinética, que dá origem a certas equações de vazão. 3. princípio do momentum, que trata das forças dinâmicas exercidas pelos fluidos da vazão.
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Em aplicações industriais de medição da vazão, o mais comum é se ter fluidos em tubulações fechadas (o caminho mais empregado para transportar o fluido entre dois pontos da planta é a tubulação com seção circular). Um sistema de medição de vazão é constituído de: 1. elemento sensor: geralmente em contato direto com o fluido, resultando em alguma forma, a interação entre a vazão medida e a saída do sensor. 2. condicionador de sinal: tem a função de medir a grandeza física gerada pela interação do sensor com a vazão do fluido e transformá-la em forma mais conveniente para o display de volume, peso ou vazão instantânea. 3. apresentador de sinal: instrumento receptor de display, como indicador, totalizador ou registrador. As classificações dos medidores de vazão se baseiam somente no tipo de elemento primário ou no princípio físico envolvido. Quanto maior o número de opções, mais difícil é a escolha. A seleção do medidor de vazão é uma tarefa difícil e complexa, geralmente exigindo várias interações para se chegar a melhor escolha. Para dificultar a escolha, a vazão é a variável do processo industrial que possui o maior número de diferentes elementos sensores. São disponíveis tabelas relacionando os tipos de medidores e as suas aplicações ideais e os parâmetros devem ser analisados para a finalidade requerida. Os medidores favoritos são os seguintes: 1. sistema de medição com elemento gerador de pressão diferencial. 2. turbina medidora de vazão, para a medição de fluidos limpos com altíssima precisão. 3. sistema de medição magnética de vazão, para a medição de fluidos corrosivos e sujos, sem perda de carga adicional. 4. medidor por deslocamento positivo, usado para a totalização direta da vazão. 5. medidor de área variável para a indicação local e barata da vazão com baixa precisão de fluido sob baixa pressão. 6. medidor com geração de vórtices. 7. medidor direto de massa, chamado genericamente de Coriolis. 8. medidor ultra-sônico, geralmente portátil e usado externamente à tubulação. 9. medidor tipo alvo, para medição de fluidos viscosos. 10. medidores de canais abertos onde se tem a variação simultânea da área de passagem e do nível da superfície líquida. 11. medidor térmico baseado nos efeitos de resfriamento e aquecimento de elementos termais, usado em chaves de fluxo. 4.2 MEDIDORES POR PRESSÃO DIFERENCIAL O método da medição de vazão por pressão diferencial é baseado na Equação da Continuidade e no Teorema de Bernoulli. De acordo com a Equação da continuidade, a vazão de um fluido em movimento, dentro de uma tubulação, é igual em todos os seus pontos. Quando se diminui a seção transversal em um dos pontos da tubulação, a velocidade de escoamento naquele ponto aumenta. De acordo com o Teorema de Bernoulli, a energia contida em um fluido em movimento compõe-se da soma das energias cinética (baseada na velocidade) e potencial (da pressão e da posição). Um aumento da velocidade, portanto, leva à diminuição da pressão estática. Essa queda de pressão, chamada de pressão diferencial ou ∆p, é uma medida base para a vazão Q (contanto que a energia potencial da posição seja 63
desprezível). A evolução da pressão dentro de uma tubulação com ponto de estrangulamento, pode ser vista na figura abaixo.
Figura 87 - Medição de vazão por pressão diferencial
Na prática, o ∆p, é produzido por um dos dispositivos de estrangulamento existentes comercialmente (placa de orifício, bocal, venturi, pitot ou annubar) instalado dentro de uma tubulação, o elemento primário ou gerador de ∆p, e pode ser medida sob a forma de diferença entre as pressões estáticas existentes antes e depois do dispositivo de estrangulamento (montante e jusante), com auxílio de um transmissor de pressão diferencial, o elemento secundário instalado em separado (são interligados através de tubulações, as tomadas). Englobando-se, em um fator K, a forma de construção de um dispositivo de estrangulamento e suas medidas, as medidas da tubulação, assim como a densidade do fluido a ser medido e alguns outros fatores de influência, pode-se escrever a seguinte fórmula para a vazão: Q = K . ∆ p
Onde: Q = vazão K = fator ∆ p = Pressão diferencial O fluido a ser medido deve estar em fase pura, isto é, os líquidos não podem, por exemplo, conter bolhas de gás ou ar não dissolvidas, nem substâncias sólidas. Além disso, não deve haver formação de gás ou vapor. Isso deve ser especialmente observado em gases ou vapores próximos ao ponto de saturação, e em líquidos próximos ao ponto de ebulição. A densidade do fluido a ser medido, em condições de trabalho, deve ser exatamente conhecida, pois ela entra no resultado da medição, tanto em medições de volume como de massa (no caso de líquidos, a densidade depende da temperatura - no caso de pressões muito altas, também da pressão - e no caso de gases e vapores, depende da temperatura e também da pressão. A correção da pressão e temperatura geralmente é feita eletronicamente no próprio transmissor – a partir dos valores de pressão e temperatura medidos forma-se um fator de correção que é 64
multiplicado pela saída linearizada do transmissor, ou seja, após extração de raiz quadrada visto que a pressão diferencial é proporcional ao quadrado da vazão). O fluido em movimento deve preencher toda a seção transversal do estrangulamento. O fluxo não deve sofrer perturbações. Quaisquer desvios em relação às condições citadas levam a erros (incertezas) consideráveis. %Q %∆p
0 1 3 5 8 10 0 0,01 0,09 0,025 0,64 1
20 4
30 9
40 16
50 25
60 36
70 49
80 64
90 81
100 100
Para que o cálculo dos estranguladores, também chamados de elementos deprimogênios, produzam resultados precisos, é necessária uma instalação criteriosa. A principal vantagem dos medidores de vazão por pressão diferencial é que estes podem ser aplicados para a maioria dos gases e líquidos inclusive fluídos com sólidos em suspensão bem como fluidos viscosos, para uma faixa ampla de pressões e temperatura. Apresenta como desvantagens o fato de que a perda de carga (∆P) desenvolvida sobre esses medidores se constituírem em energia irrecuperável que está sendo retirada do processo através da geração de calor e ruído. Podemos observar, na figura 87, a variação de pressão do fluido ao longo da tubulação, nas proximidades da placa de orifício. Os geradores de pressão diferencial mais usados são os seguintes:
Placa de orifício Dentre todos os dispositivos que podem ser inseridos na tubulação para se criar uma pressão diferencial, a placa de orifício se constitui num instrumento de construção simples, robusto e de baixo custo, tornando-se o mais utilizado na maioria dos processos industriais. A placa de orifício consiste de uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação, a espessura poderá variar de 1/16"a ¼" de acordo com o diâmetro da tubulação. Seu desempenho quando bem dimensionada e confeccionada com materiais adequados, podese predizer com facilidade a relação entre a vazão e a pressão diferencial correspondente. Três tipos padrões são conhecidos. A mais utilizada é a placa com furo circular concêntrico com a linha central do tubo. Do lado da entrada do fluido a borda do furo deve ser em ângulo reto e do outro lado deve ser chanfrada a 45°. Outro tipo de placa é a excêntrica, geralmente usada para fluídos contendo material pesado. A placa com furo segmentado é empregada para fluídos contendo sólidos em suspensão.
65
Figura 88 - Placas de orifício: concêntrica, excêntrica e segmental É essencial que a borda do orifício esteja em perfeitas condições. Caso estas se apresentem
desgastadas ou corroídas, a precisão da medição será comprometida. A medição de pressão diferencial será feita através das tomadas de pressão (ou impulso) cuja localização dependerá do diâmetro da tubulação e das características do fluído. A tubulação antes e depois do local de instalação deve percorrer um longo caminho em linha reta (curvas, válvulas, etc. devem ser instaladas conforme norma, de tal forma que perturbações do fluxo sejam desprezíveis). São ligações entre os elementos primários e os instrumentos medidores, geralmente com diâmetro de 1/2 e que resista a qualquer ação corrosiva do fluído e do ambiente e distorções mecânicas. A tomada de alta pressão do medidor deve estar sempre ligada à montante do elemento primário e a de baixa pressão à jusante. As tomadas de pressão mais usuais são: "
⇒ Tomadas
nos Flanges (Flange Taps): A placa é montada entre flanges de orifício, que possuem furação para conexão a instrumentos. Dos tipos existentes esta é a mais utilizada. ⇒ Tomada de Canto (Corner Taps): Similares as tomadas nos flanges, suas tomadas localizam-se nos cantos formados pela parede interna do flange. ⇒ Tomadas 1 D e ½ D (Radius Taps): As tomadas são feitas na própria tubulação, o centro da tomada de alta pressão é colocado a uma distância igual a 1 diâmetro da tubulação, do plano de entrada da placa. O centro da tomada de baixa pressão é colocado a ½ diâmetro do plano de saída da placa. 66
⇒ Tomadas
de Vena Contracta: Tomadas feitas na própria tubulação. O centro da tomada de alta pressão está colocada entre 1/1 e 2 diâmetros do plano de entrada da placa (geralmente 1D). O centro da tomada de baixa pressão está colocado no plano da Vena Contracta.
Figura 89 - Tomadas de pressão
Figura 90 - Instalação das tomadas de impulso
Tubo de venturi Um tubo de Venturi combina, em uma só unidade, um estrangulamento na seção do tubo entre duas ligações para a medida da pressão diferencial. Consta de três partes:
Figura 91 - Tubo de venturi
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1. cone de entrada: tem por função aumentar progressivamente a velocidade de escoamento. 2. cilindro intermediário: onde é feita a medição de baixa pressão. 3. cone de saída: tem por função diminuir progressivamente a velocidade até que esta se iguale à de entrada. A diferença fundamental entre o Tubo de Venturi e a Placa de Orifício é que no primeiro, a veia fluídica acompanha constantemente as paredes do tubo em quanto que no segundo existe um ‘colchão’ de fluido entre as paredes do tubo e a veia do fluído a jusante da placa, formando redemoinhos. A principal característica deste tipo de medidor é a baixa perda de pressão provocada pelo mesmo. O que torna o seu uso interessante para instalações, industriais onde se deseja esta característica (tratamento de água, ar de combustão etc.).Também são bastante utilizados para medir vazão de líquidos com sólidos em suspensão, uma vez que estes medidores possibilitam uma autolimpeza continua. De uma forma geral, o tubo de Venturi permite a medição de vazões 60% maiores que a placa de orifício para as mesmas condições de serviço. A perda de pressão está em torno de 10 à 20% da perda de pressão total. Suas principais desvantagens, quando comparado com a placa de orifício são: custo mais elevado e dimensões maiores.
Bocais de vazão (Flow Nozzle) São elementos colocados diretamente na linha de vazão, e que provocam uma pressão diferencial por restringirem o fluxo.
Figura 92 - Bocal
Bocais são usados principalmente na medição de vapor e outros fluidos com alta velocidade, dada sua alta resistência à abrasão. O bocal permite vazões 60% superiores às da placa de orifício para as mesmas condições de serviço. Sua perda de carga está em torno de 30 à 80% da pressão diferencial total. Apresentam um custo de 8 a 16 vezes maior que uma placa de orifício, além de uma maior dificuldade para instalação.
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Tubo de pitot É um dispositivo utilizado para medição de vazão através da velocidade detectada em um determinado ponto da tubulação. O tubo de Pitot possui duas aberturas para a medição das pressões, uma perpendicular ao eixo do fluxo, sendo esta a tomada de baixa pressão e a outra com frente para o fluído, fornecendo ponto de impacto é a tomada de alta pressão. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos dá a pressão dinâmica, a qual é proporcional ao quadrado da velocidade. Visto que o tubo de Pitot só mede a velocidade no ponto de impacto, o resultado da medição depende da localização desse ponto. Multiplicandose a velocidade pela área da seção transversal, obtém-se a vazão. Devido ao fato dele ser muito sensível a perturbações na vazão da montante, recomenda-se um trecho reto de uns 20 diâmetros da montante. Podem ser utilizados em fluídos incompreensíveis como em fluidos compressíveis. Sua maior aplicação seria na medição de vazão de fluídos limpos em grandes tubulações, devido a simplicidade e fácil instalação. Apresentam uma baixa perda de pressão.
Figura 93 - Tubo de pitot
4.3 MEDIDORES POR ÁREA VARIÁVEL (ROTÂMETRO) O rotâmetro é o tipo de medidor de vazão por área variável mais utilizado industrialmente. Esses medidores possuem características, como:
a - O fluxo que passa pelo medidor causa uma mudança de posição de uma peça móvel e conseqüentemente na área de passagem. b - A posição da peça móvel, representativa da vazão, é acoplada direta ou indiretamente ao mostrador do instrumento, possibilitando uma leitura direta. c - A escala será, em princípio, aproximadamente linear. d - Não necessitam de trecho reto de tubulação para sua instalação. Um rotâmetro possui um flutuador colocado dentro de um tubo de diâmetro variável, geralmente de vidro. O lado do diâmetro menor está na parte inferior e é a entrada do fluido. O flutuador alcança uma posição de equilíbrio que é proporcional ao escoamento quando a força ascendente do fluido, passando pelo espaço anular, torna-se igual ao peso (força descendente) do flutuador. A vazão pode ser lida diretamente em uma escala graduada. 69
Os tubos empregados nos rotâmetros podem ser confeccionados de vidro ou de metal. No primeiro caso, o flutuador será visto por transparência e o seu posicionamento com relação à uma escala graduada nos indicará o valor de vazão do mesmo. Os tubos metálicos serão utilizados quando os fluidos apresentarem-se opacos ( por exemplo: alcatrão, óleo pesado etc.) e/ou de características físicas incompatíveis com o vidro, ou ainda por razões de segurança. Nesse caso a indicação será feita através de acoplamento magnético ou elétrico ao sistema de indicação. A forma e o peso do flutuador estão diretamente ligados às características do rotâmetro para um determinado conjunto de aplicações. A escala onde será feita a leitura do valor de vazão, poderá ser gravada no próprio tubo de vidro ou então ser confeccionado em latão ou alumínio. Poderão ser gravadas em unidades diretas de vazão ou em porcentagem (10 a 100%). No segundo caso, será determinado um fator de multiplicação. Deve-se observar que as escalas iniciam-se num valor diferente de zero (normalmente 10%). Isto se deve a falta de precisão apresentada quando as vazões se situam abaixo deste valor.
Figura 94 - Rotâmetro
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4.4 MEDIDORES DE CANAIS ABERTOS Conhecendo-se a área de passagem de um fluído bem como sua velocidade de escoamento, podemos determinar a vazão. Entre os elementos que utilizam este princípio temos o Vertedouro e a Calha Parshall que são utilizados na medição de vazão em canais abertos. O vertedouro é composto por uma placa com um entalhe na parte superior que será posicionada verticalmente em relação ao fluxo num canal a céu aberto. O liquido será obrigado a subir até o entalhe para depois "Verter" a jusante. A vazão do liquido sobre a base horizontal do entalhe (crista) provocará uma diferença de altura na veia d'água (lençol) em relação à base horizontal do entalhe, que será diretamente proporcional a altura.
Figura 95 - Vertedouro
Os cuidados básicos nos vertedouros é fazer inspeções na caixa para ver se não há sedimentos acumulados, conferir as arestas do entalhe quanto a incrustações e rebarbas. Verificar a estrutura se não há avarias e fugas, no caso em que o fluido arrastar sólidos, crustáceos, é necessário além da inspeção periódica à instalação de tela anterior a medição. A calha Parshall ou canal inclinado possui uma seção de entrada convergente, um estrangulamento e uma seção de descarga divergente. Todas as seções possuem paredes laterais verticais, sendo que na seção de estrangulamento o fundo é inclinado no sentido da descarga. A medição da vazão é feita da mesma forma que para os vertedouros. Possui características que o tornam superior aos medidores normais tipo vertedouro, visto não necessitar de uma cascata, e sua perda de carga é menor do que um vertedouro de mesma capacidade, especialmente nas condições de campo.
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Figura 96 - Calha Parshall
Aplicações: Sistemas de abastecimento de água, irrigação, estações de tratamento de esgotos e despejos industriais, processamento de dosagem, processos químicos e industriais em geral. 4.5 MEDIDOR DE TURBINA Esse instrumento consiste de uma turbina (rotor), dois suportes: um anterior e outro posterior, um eixo e um elemento sensor acondicionado num tubo de material não magnético. O fluído, passando pelo medidor, gira o rotor com uma velocidade angular proporcional (dentro de certos limites de vazão e viscosidade cinemática) a velocidade e, portanto, à vazão volumétrica do fluído.
Figura 97 - Turbina
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Por sua vez, o sensor é composto por um forte imã permanente junto a uma bobina. As pás do rotor são feitas de material ferroso, corta as linhas de campo do imã. Por isso, as pás passando pelo sensor, distorcem esse campo magnético que agora sendo variável, induz pulsos de tensão na bobina, cuja freqüência é proporcional à vazão do fluído. Uma característica do medidor de turbina, conhecida como Coeficiente do Medidor, é o fato dele fornecer um número conhecido de pulsos para um dado volume medido. Sua precisão é excelente, tanto para medição de vazão instantânea como para totalização. 4.6 MEDIDOR TIPO VORTEX O fenômeno da geração de vórtices é mostrado na mecânica dos fluidos como uma forma de resistência, a qual inclui a ruptura da camada limite, bem como a distribuição da pressão e velocidade resultantes do fluxo de fluidos ao redor de corpos imersos. A medição de vazão volumétrica consiste basicamente na contagem do número de vórtices formados alternadamente de um lado e de outro do shedder (elemento gerador de vórtices Figura 98). O formato do shedder evoluiu no sentido de gerar vórtices mais consistentes com o menor número de Reynolds possível. Para detecção desses vórtices são usadas diversas técnicas, que tem por objetivo confiabilidade, robustez e rejeição das vibrações. Vórtice (vortex em inglês) é o nome dado ao fenômeno natural que ocorre quando um gás ou líquido flui ao redor de um objeto de formato não aerodinâmico. O fluxo, neste caso, não é capaz de seguir o formato de tal objeto e ocorrerá uma separação entre o fluido e a superfície do objeto fazendo com que ocorra uma alta turbulência que se propaga, gerando uma série de redemoinhos alternados um de cada lado do objeto (o efeito pode ser visto nos leitos dos rios quando a água passa por uma pedra ou mesmo numa bandeira que tremula ao vento). A formação de vórtices tem provado ser um método altamente efetivo para a medição de vazão. O princípio é conhecido da ciência há mais de um século, mas somente a engenharia e os materiais disponíveis de hoje foram capazes de colocar este princípio em uso prático. O medidor industrial consiste do corpo (elemento primário) e o invólucro do circuito eletrônico (elemento secundário). O dispositivo primário contém o elemento gerador e separador dos vórtices. O transmissor contém o circuito eletrônico condicionador do sinal de saída. A separação dos vórtices resulta em variações na pressão e na velocidade em torno e depois do elemento gerador. Colocando-se elementos sensores de pressão, temperatura ou ultra-sônicos em locais onde o sinal é detectável, pode-se medir a freqüência de formação e separação dos vórtices.
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Figura 98 - Elemento gerador de vórtices
Figura 99 - Transmissor de vazão vortex
4.7 MEDIDOR MAGNÉTICO (MAGFLOWMETER) Os medidores magnéticos de vazão usam como princípio a Lei de indução de Faraday (O movimento relativo entre um condutor e um campo magnético desenvolve uma voltagem no condutor, sendo a voltagem induzida proporcional à velocidade relativa ao comprimento do condutor e ao campo magnético).
Figura 100 - Medidor magnético
O medidor é instalado na tubulação entre flanges padronizados e composto basicamente, de um tubo cilíndrico, duas bobinas colocadas no tubo frente a frente para a formação do campo magnético e dois eletrodos fixados perpendicularmente em relação as bobinas que são alimentadas com a tensão da rede. Um condutor elétrico, nesse caso o meio eletricamente condutivo, passa através de um campo magnético. A tensão E induzida neste meio é diretamente proporcional à velocidade média do fluxo v. A indução magnética B (intensidade do campo magnético) e a distância entre os eletrodos D (diâmetro nominal do tubo) são constantes. E = k.B.v.D ( k é uma constante do instrumento utilizado).
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O sinal elétrico gerado é coletado por dois eletrodos de medição em contato condutivo com o meio ou indiretamente por acoplamento capacitivo. Um conversor de sinal amplifica o sinal e o converte em um sinal padrão analógico (4 a 20 mA ) e um sinal de freqüência ( p.ex. 1 pulso para cada GPM que flui através do tubo de medição). Para assegurar que a tensão não está em curto-circuito pela parede do tubo, o tubo de medição é feito de material eletricamente isolante ou equipado com revestimento isolante. A medição é bastante independente do perfil do fluido e outras propriedades do meio, tais como a pressão, temperatura, viscosidade, densidade, consistência, condutividade elétrica, e a contaminação dos eletrodos. 4.8 MEDIDORES DE DESLOCAMENTO POSITIVO São medidores mecânicos, em que o fluido a ser medido, enche e esvazia alternadamente um determinado volume. Entre os mais empregados estão os de disco nutante, rotor de aletas, rotor de lóbulos, medidor de fole etc. Geralmente um pino ligado ao elemento deslocador aciona um aparelho que registra as rotações, fornecendo, portanto, a vazão total através do medidor.
Disco nutante
Lóbulos
Engrenagens ovais
Figura 101 - Medidor por deslocamento positivo
São simples, de baixo custo, boa precisão, boa repetibilidade, possibilidade de acoplamento para transmissão, não necessitam de energia externa para funcionamento, perda de carga razoavelmente baixa, aceita variações de viscosidade e temperatura. Componentes móveis com estreita tolerância, não são apropriados para fluidos com impurezas ou abrasivos (sujeitos a desgaste necessitando freqüentes intervenções para manutenção) e a limitação de diâmetro são desvantagens deste medidor.
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4.9 MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA A medição de vazão é, sem dúvida, a técnica mais usada nas indústrias de processo e talvez a mais importante, pois afeta diretamente a produção final, o recebimento de matérias primas, a adição de subprodutos e insumos, bem como o balanço de massa do processo e inventário do estoque. Os valores de vazão mássica obtidos, pela maioria dos medidores de vazão, são calculados por meio de equações onde entram constantes e variáveis, tais como pressão, densidade, temperatura, velocidade, etc. (massa inferida). A maioria dos fabricantes de medidores de vazão possuem sofisticados laboratórios de vazão, e os usuários gastam tempo e equipamentos de teste a fim de acompanhar a degradação da precisão e re-calibrações dos métodos convencionais volumétricos. Nesta constante busca pelo aprimoramento tecnológico surgiu por volta de 1980 os primeiros medidores mássicos pelo efeito Coriolis (obtenção da força de Coriolis que pela Segunda Lei de Newton é diretamente proporcional à massa). Resumidamente, um medidor Coriolis, Fig. 102, possui dois componentes: tubos sensores e transmissor. Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria frequência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o feito Coriolis se manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as variações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera sinal para os tubos de medição, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas e digitais que são enviadas a instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada, ou para PLCs, SDCDs etc. Cada fabricante possui um formato típico e patenteado e cada tipo apresenta suas próprias características de desempenho, estabilidade de zero, precisão, perda de carga e repetibilidade. O medidor não exige cuidados especiais de montagem não tendo restrições de trechos retos mínimos e apenas recomenda-se que o medidor esteja sempre cheio. Basicamente, o sensor mais transmissor apresenta: -
precisão de +/- 0,1% e repetibilidade de 0,1% diâmetros de 1/16” até 6” ranges de 0,05 Kg/min até 11T/min operam com pressões até 400 bar e temperaturas de –240 oC até 450 oC
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Figura 102 - Medidor por efeito coriolis
4.10 CHAVE DE VAZÃO Chave que tem seu contato elétrico comutado em função da vazão aplicada ao seu elemento sensor, contra uma vazão de referência (set-point) previamente estabelecida. A chave pode ser de alta ou baixa vazão: FSH ou FSL. Designadas para acionar um alarme de alta ou baixa vazão: FAH ou FAL. Há também chave de vazão muito alta e chave de vazão muito baixa, designada respectivamente por: FSHH e FSLL, utilizadas em sistemas de intertravamento para interromper o funcionamento de um equipamento ou mesmo interromper a operação da planta em caso de emergência, veja a figura 103.
Figura 103 - Chave de vazão
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Exercícios – Medição de Vazão 1. Cite 4 razões da medição de vazão no ambiente industrial.
2. Defina vazão.
3. Cite 4 unidades de vazão:
4. Converta as vazões abaixo, de volumétrica para mássica: a) 4 m3 /h em Kg/min b) 500 l/min em T/h
5. Explique em linhas gerais como se mede vazão por pressão diferencial.
6. Explique em linhas gerais o funcionamento do medidor de vazão magnético.
7. Qual a vantagem do medidor mássico em relação aos outros medidores de vazão?
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5 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 5.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS Calor é uma das formas mais comuns de energia que se origina da energia cinética das moléculas dos corpos. Quantidade de calor é a energia cinética total das moléculas. Temperatura é a medida da energia cinética média das moléculas. Chama-se temperatura de um corpo a grandeza que caracteriza o nível de calor do corpo. Aquecendo-se um corpo, acrescenta-se-lhe calor, elevando a sua temperatura. Portanto, temperatura mede a intensidade de calor do corpo. A temperatura é uma das variáveis mais importantes na indústria. Muitas vezes a qualidade do produto depende apenas da temperatura a que ele é submetido (aquecimento) ou, na qual ele é mantido durante um certo tempo (tratamento térmico). Para a confecção de escalas de temperatura, necessitamos de temperaturas constantes e invariáveis como referência. Isto é conseguido nas mudanças do estado físico dos corpos, pois essas mudanças ocorrem sempre à mesma temperatura. Exemplo: Temperatura do ponto de congelamento da água, ebulição da água etc.
Escalas termométricas Escala Celsius (C): A escala Celsius usa dois pontos como padrão: A temperatura do ponto de congelamento da água que corresponde a 0 grau, e o ponto de ebulição que corresponde a 100 graus a uma atmosfera padrão* . O intervalo entre estes pontos foi dividido em 100 partes iguais, sendo cada divisão igual a l°C. Uma variação de 1°C representa uma variação de 1,8 °F. * A atmosfera padrão ao nível do mar, tem as seguintes características: P = 101.325,0 Pa 3 ρ = 1.225,0 kg/m T = 288,2 K Escala Fahrenheit (F): O ponto de congelamento da água corresponde a 32 °F e o ponto de evaporação da água corresponde a 2l2 °F. A faixa entre estes pontos foi dividida em 180 partes iguais, sendo cada divisão igual a 1°F. Escala Kelvin (K): Cada 1°K é igual a l°C, porém o zero desta escala corresponde à temperatura mínima existente teoricamente, que é aproximadamente -273°C, ou zero absoluto. 79
Escala Rankine (R): Cada 1°R é igual a l°F, porém o zero desta escala parte do zero absoluto que é de aproximadamente -460 °F. Escala Reamur (Re): A temperatura do congelamento da água corresponde a 0 oRe e a temperatura ebulição da água corresponde a 80o Re. A faixa entre estes pontos foi dividida em 80 partes iguais, sendo cada divisão igual a 1°Re. Uma variação de 1°Re representa uma variação de 1,25°C.
Fórmulas de conversão de escalas de temperatura C = F - 32 5 9
K = C + 273
R = F + 460
C = Re 5 4
Exercícios - escalas de temperatura 1.Converta a temperatura de 120οC em: a) graus °F b) Kelvin c) graus °Re
2. Qual a temperatura em graus °F que vale o dobro da °C?
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Unidades de calor A unidade de calor é a caloria (cal). Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 1°C a temperatura de l g de água. A unidade mais prática é a quilocaloria (kcal) que vale 1000 calorias. Unidade térmica inglesa (BTU) é igual a 0,252 kcal. Existem vários tipos de medidores de temperatura, os mais utilizados na indústria são: CONTATO DIRETO
CONTATO INDIRETO
Termômetro a dilatação de líquidos de sólidos
Pirômetro ótico
Termômetro a pressão de líquido de gás de vapor
Pirômetro fotoelétrico
Termômetro a par termoelétrico
Pirômetro de radiação
Termômetro a resistência elétrica
Quadro 3 - Medidores de temperatura mais utilizados na indústria
5.2 TERMÔMETROS A DILATAÇÃO São instrumentos de medição de temperatura usados na indústria e laboratórios. Os termômetros podem ser de três tipos:
a - termômetros de vidro b - termômetros de bulbo de pressão c - termômetros bimetálicos Termômetros de vidro Utilizam a expansão volumétrica dos líquidos, que é proporcional à temperatura. Compõemse de um reservatório com líquido, no qual está ligado um capilar. Com aplicação de calor ao bulbo, o líquido se expande, subindo pelo capilar. Este deslocamento se mede numa escala graduada em temperatura. Os dois líquidos mais usados são: o álcool, para uma faixa de - l00 a + 150°C e o mercúrio, numa faixa de -40 a +648°C.Fig. 104.
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Figura 104 - Termômetro de vidro
O termômetro de vidro de uso industrial costuma ser protegido por uma carcaça metálica que é rosqueada num poço de proteção. Fig. 105
Figura 105 - Termômetro de vidro industrial
Vantagens e desvantagens boa precisão baixo custo simplicidade de construção A sua desvantagem é a fragilidade, que os torna sujeitos a quebras e a limitação da faixa de trabalho.
Termômetros de bulbo de pressão Estes termômetros se compõem de um bulbo e um elemento medidor de pressão, interligados por um capilar metálico, sendo o sistema todo cheio de fluido. O bulbo é instalado no processo. Quando há uma elevação de temperatura no processo, o fluido do bulbo terá a sua pressão aumentada. Este aumento é acusado no medidor de pressão. Basicamente, teremos um medidor de pressão com escala calibrada para temperatura. Fig. 106
Figura 106 - Termômetros de bulbo de pressão 82
Os termômetros com bulbo de pressão são de três tipos: termômetro a pressão de líquido termômetro a pressão de gás termômetro a tensão de vapor
Termômetro a pressão de líquido Termômetros a pressão de líquido utilizam como fluido de enchimento, os seguintes líquidos: mercúrio, álcool etílico, xilol etc. Entre estes, o mercúrio é o mais empregado, porque seu coeficiente de dilatação volumétrica é bem maior do que os outros. As faixas de utilização destes termômetros são as seguintes: Mercúrio: Xilol Álcool
- 35 a + 540°C - 40 a + 400°C - 50 a + 150°C
Compensação da temperatura ambiente: Dois métodos são usados para este fim. No primeiro, é utilizado um bimetal para corrigir o ponteiro. No segundo caso, emprega-se outro elemento medidor com capilar que chega até o bulbo, sendo, porém, a sua extremidade fechada, e a ação do segundo medidor oposta à do primeiro. O método bimetálico é mais barato, porém para distâncias muito grandes é preferível a segunda compensação. Compensação de coluna líquida: Nos casos onde o bulbo é instalado acima ou abaixo do instrumento de medição, haverá necessidade de compensar a pressão devida à coluna de líquido. Isto é feito pelo reajuste do zero do instrumento no local onde ele é instalado.
Termômetro a pressão de gás O gás mais utilizado é o nitrogênio, por ser inerte e abundante, embora outros gases inertes como hélio e neônio também sejam empregados em menor escala. Como a pressão do gás é inferior à do líquido, o seu bulbo é maior. A compensação de temperatura é igual à do bulbo com líquido, porém não há necessidade de compensar a elevação, pois o peso da coluna de gás é irrelevante. A faixa de utilização é de 200 a +800 °C e é linear.
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Termômetro a tensão de vapor Nesse tipo de termômetro empregam-se líquidos voláteis, como alguns hidrocarbonetos, cloreto de metila, dióxido de enxofre etc. A escala para estes termômetros não é linear, sendo de preferência utilizada a parte superior, por ser expandida. Há necessidade disto para que a superfície que separa as fases líquida e gasosa se localize no bulbo.
Termômetro bimetálico (dilatação de sólidos) Consiste de duas lâminas de metais diferentes que são fixadas para formar uma única lâmina. Como o coeficiente de dilatação térmica de um dos metais é grande (Latão) e o coeficiente do outro metal é quase nulo (Invar), sob a variação de temperatura, a lâmina bimetálica irá se curvar. Em termômetros usados na indústria. a lâmina bimetálica toma a forma de espiral ou helicóide. Uma extremidade do bimetálico é fixada ao poço de proteção e a outra é conectada ao eixo, que transmite o movimento de rotação ao ponteiro. Fig. 107
Figura 107 - Termômetro bimetálico
A faixa de utilização do termômetro bimetálico é de -50°C a +550°C. Estes termômetros normalmente só permitem o ajuste de zero e, quando estragam, não têm conserto. 5.3 POÇO DE TEMPERATURA (TW) O poço é um acessório destinado a proteger a haste do termômetro ou outro instrumento de temperatura, dos seguintes efeitos: -
Corrosão resultante da agressividade do fluido do processo. Pressão excessiva exercida pelo processo. Flexão causada pela alta velocidade de escoamento ou hastes longas dispostas horizontalmente Cavitação resultante de turbulência de fluidos a alta velocidade.
Podendo citar ainda como vantagens adicionais: 84
-
Diminuição do tempo despendido em reparo ou substituição do instrumento visto que não há necessidade de esvaziar ou paralisar o equipamento para retirá-lo. Proteger o material em processamento, assim como o equipamento em uso, dos danos causados pelo vazamento acidental do líquido de enchimento do instrumento; se este for mercúrio, os danos pessoais que poderá causar são incalculáveis.
Sua construção obedece a dois sistemas: soldado a partir de um tubo e de barra maciça usinada, sendo que o primeiro, apesar de mais econômico, está sujeito a diversas limitações que o tomam nem sempre o ideal. Já o segundo oferece reais vantagens em termos de resistência e durabilidade. Fig. 108.
Figura 108 - Poço de temperatura
5.4 TERMOPARES Defini-se como termopar o conjunto de dois fios de metais ou ligas diferentes, unidos em uma das extremidades. Conforme esquematizado abaixo, o ponto de união dos fios é denominado por junta de medição ou junta quente. A outra extremidade é chamada de junta de referência ou junta fria. Quando submetemos as junções a diferentes temperaturas há geração de f.e.m, facilmente detectável por um milivoltímetro ligado à extremidade. Verifica-se que, quanto maior for este diferencial de temperatura, maior será a f.e.m gerada (Efeito Seebeck). Com base neste fenômeno, é feita a medição da temperatura na JQ, desde que se conheça a temperatura da JF e a correlação f.e.m X temperatura. É norma considerar-se a temperatura da JF igual a 0oC, de modo que a f.e.m gerada corresponde sempre a temperatura medida. Fig. 109.
Figura 109 - Termopar 85
A f.e.m gerada não é exatamente proporcional à diferença de temperatura; assim sendo, o gráfico f.e.m versus temperatura não é linear. O metal ideal para a confecção de termopares não é ainda conhecido, ou mesmo ligas ideais. Dentre os metais encontrados no comércio, alguns se aproximam do ideal, por isso só os melhores são utilizados. Visto não ter materiais adequados e ideais, todas as curvas de f.e.m desviam-se de uma reta ou de uma resposta linear, por isso cada par termoelétrico possui uma curva característica. Baseado na experiência de alguns anos de aplicação, a industria padronizou algumas combinações de fios que atendem à maioria das necessidades. A escolha do material depende da faixa de temperatura a ser medida, do meio ao qual o material será exposto e da precisão exigida na medição. Várias combinações de condutores possuem razoável relação entre a temperatura e a linearidade da f.e.m, possuindo uma potência termoelétrica suficiente para gerar uma f.e.m por grau de variação de temperatura que possa ser detectada com instrumentos de precisão.
Tabela 2 - Faixa de utilização de termopares FAIXA DE UTILIZAÇÃO DE TERMOPARES TIPO
LIGAS BÁSICAS
GRAUS °C
T J K E S R B
Cobre / Constatan Ferro / Constatan Chromel / Alumel Chromel / Constatan Platina Rhodio10% / Platina Platina Rhódio 13%/ Platina Pt 30%, Rh 70% / Pt 6%, Rh 94%
-270 / 400 -210 / 760 -271 / 1200 -270 / 1000 -50 / 1768 -50 / 1768 0 / 1820
POTÊNCIA TERMOELÉTRICA 5,21mV / 100°C 5,74mV / 100°C 4,04mV / 100°C 7,61mV / 100°C 0,645mV / 100°C 0,647mV / 100°C 0,033mV / 100°C
FEM (mV) -6,258 / 20,872 -8,096/ 42,919 -6,458/ 48,838 -9,835 / 76,373 -0,236 / 18,693 -0,226/ 21,101 0,000 / 13,820
Termopares de isolação mineral È constituído de um ou mais pares de fios isolados entre si e a bainha metálica por um pó isolante de óxido de magnésio altamente compactado. Possuem uma maior estabilidade da FEM, maior vida útil, resposta mais rápida, grande resistência mecânica, facilidade de instalação, resistência a corrosão. Fig. 110
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Figura 110 - Termopar
Exemplo de tabela temperatura x milivoltagem gerada Tabela 3 - Temperatura X Milivoltagem gerada TERMOPAR TIPO “ J “
Temperatura em graus Celsius (ITS-90) Força eletromotriz térmica em milivolts 100 -4,633 -4,674 -4,714 -4,755 -90 -4,215 -4,257 -4,300 -4,342 -80 -3,786 -3,829 -3,872 -3,916 -70 -3,344 -3,389 -3,434 -3,478 -60 -2,893 -2,938 -2,984 -3,029 -50 -2,431 -2,478 -2,524 -2,571 -40 -1,961 -2,008 -2,055 -2,103 -30 -1,482 -1,530 -1,578 -1,626 -20 -0,995 -1,044 -1,093 -1,142 -10 -0,501 -0,550 -0,600 -0,650 0,000 -0,050 -0,101 -0,151 0 ºC 0 1 2 3 0,000 0,050 0,101 0,151 0 10 0,507 0,558 0,609 0,660 20 1,019 1,071 1,122 1,174 30 1,537 1,589 1,641 1,693 40 2,059 2,111 2,164 2,216 50 2,585 2,638 2,691 2,744 60 3,116 3,169 3,222 3,275 70 3,650 3,703 3,757 3,810 80 4,187 4,240 4,294 4,348
Ferro/Cobre-Níquel ASTM-E-230
-4,796 -4,384 -3,959 -3,522 -3,075 -2,617 -2,150 -1,674 -1,190 -0,699 -0,201 4 0,202 0,711 1,226 1,745 2,269 2,797 3,329 3,864 4,402
-4,836 -4,425 -4,002 -3,566 -3,120 -2,663 -2,197 -1,722 -1,239 -0,749 -0,251 5 0,253 0,762 1,277 1,797 2,322 2,850 3,382 3,918 4,456
-4,877 -4,467 -4,045 -3,610 -3,165 -2,709 -2,244 -1,770 -1,288 -0,798 -0,301 6 0,303 0,814 1,329 1,849 2,374 2,903 3,436 3,971 4,510
Junção de referência a 0ºC -4,917 -4,957 -4,997 -5,037 -4,509 -4,550 -4,591 -4,633 -4,088 -4,130 -4,173 -4,215 -3,654 -3,698 -3,742 -3,786 -3,210 -3,255 -3,300 -3,344 -2,755 -2,801 -2,847 -2,893 -2,291 -2,338 -2,385 -2,431 -1,818 -1,865 -1,913 -1,961 -1,336 -1,385 -1,433 -1,482 -0,847 -0,896 -0,946 -0,995 -0,351 -0,401 -0,451 -0,501 7 8 9 10 0,354 0,405 0,456 0,507 0,865 0,916 0,968 1,019 1,381 1,433 1,485 1,537 1,902 1,954 2,006 2,059 2,427 2,480 2,532 2,585 2,956 3,009 3,062 3,116 3,489 3,543 3,596 3,650 4,025 4,079 4,133 4,187 4,564 4,618 4,672 4,726 87
90 100
4,726 5,269
4,781 5,323
4,835 5,378
4,889 5,432
4,943 5,487
4,997 5,541
5,052 5,595
5,106 5,650
5,160 5,705
5,215 5,759
5,269 5,814
Montagem do termopar com os acessórios Em um circuito termopar, a ligação do sensor com os cabos de extensão/compensação é feita por uma peça chamada bloco de ligação, que fica protegida no cabeçote do termopar, cujas finalidades principais são fixar esta ligação às paredes do processo e manter a uniformidade da temperatura em seu interior. Fig. 111. Os cabos de extensão ou compensação fazem a conexão entre o termopar e aparelho receptor, que normalmente fica situado na sala de controle e é o elemento final do circuito.
Figura 111 - Cabeçote e proteção metálica do termopar
Fios de extensão dos termopares A fiação de extensão do termopar deve ser do mesmo material ou de material com as mesmas características termoelétricas, pois o uso de fio mais econômico, como o de cobre, resulta na formação de novas junções termoelétricas que precisariam ser mantidas numa mesma temperatura. Às vezes, por razões econômicas, prefere-se o uso de extensões de cobre com caixas termostáticas. Os fabricantes geralmente seguem um código de cores para distinguir os fios de extensão (positivo e negativo); mas, por haver vários códigos de cores, com o auxílio de um instrumento, como o potenciômetro-padrão, faz-se a identificação. Fios de compensação dos termopares Fios e cabos de compensação são condutores com ligas diferentes dos termopares, mas que apresentam a mesma curva FEM x Temperatura. São usados principalmente para os termopares nobres. Compensação da junta fria É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções quente e fria. Então, para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção fria invariável. Nos instrumentos galvanométricos, esta compensação pode ser realizada por um cabelo bimetálico, porém, o mais comum é o uso de resistores sensíveis a temperatura, que variam no sentido de correção. 88
5.5 TERMORESISTORES A alteração da resistência elétrica de diversos materiais com as variações de temperatura é a base do funcionamento dos elementos primários denominados termômetro de resistência ou termoresistores. Estes sensores podem ser de platina, cobre ou níquel com diversos revestimentos de acordo com a aplicação. Tipos Os termômetros de resistência se dividem em dois grupos principais: -
termômetros de resistência metálicos termistores
Termômetros de resistência metálicos O princípio de medição de temperatura utilizando termômetros de resistência se baseia na variação do valor da resistência elétrica de um condutor metálico em função da temperatura. Fig. 112
Figura 112 - Termômetro de resistência metálico
De uma forma aproximada, mas nem por isso muito longe do real, a variação da resistência elétrica de um metal em função da temperatura pode ser representada pela expressão: R(t) = R0 (1 + at) Onde: R(t): Resistência elétrica à temperatura "t"; R0: Resistência elétrica à temperatura de 0°C; a: Coeficiente de variação da resistência elétrica em função da temperatura, medido em Ω / Ω /°C; t: Temperatura, medida em °C; As termoresistências de platina mais utilizadas trabalham com o coeficiente de temperatura ou “alfas” da norma DIN 43760 (IEC 751): 0.00385 Ohm/°C. Estas normas especificam o padrão baseado em 100 Ohm a 0°C. Um estudo mais detalhado mostra que o coeficiente "a" varia em função da temperatura, e esse fato deve ser considerado nos termômetros de resistência, principalmente quando os mesmos são utilizados para medição em um intervalo de temperatura acima de 100°C. Dentre os metais, aqueles que se mostraram mais adequados para a utilização na termometria de resistência são: 89
1 - Liga de Rh 99,5% x Fe 0,5%: Utilizado para medição de temperatura na faixa de 0,5K a 25K (-272,65°C a -248,15 °C) 2 - Cobre: Utilizado para medição de temperatura na faixa de 193,15K a 533,15K (-80°C a 260°C). Possui uma linearidade de 0,1°C em um intervalo de temperatura de 200°C. Entretanto, sua baixa resistência à oxidação limita a sua faixa de temperatura de utilização. 3 - Níquel: Utilizado para medição de temperatura na faixa de 213,15K a 453,15K (-60°C a 180°C). Os principais atrativos na sua utilização são seu baixo custo e alta sensibilidade. Sua principal desvantagem é a baixa linearidade. 4 - Platina: Utilizado para medição de temperatura na faixa de 25K a 1235K (-248°C a 962°C). É o metal mais utilizado na construção de termômetros de resistência, pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência à oxidação. Suas características serão apresentadas com mais detalhes a seguir. •
Termômetro de resistência de platina
Além das características mencionadas acima sobre a platina, ela atende também a dois aspectos muito importantes: possui uma grande inércia química e é relativamente fácil de se obter na forma pura.Os termômetros de resistência de platina apresentam duas configurações básicas, a saber: Termômetro de Resistência de Platina Padrão e Termômetro de Resistência de Platina Industrial. •
Princípio de medição
A medição do termômetro de resistência é normalmente feita por um circuito tipo ponte de resistências, na qual a resistência elétrica do fio de ligação entre o sensor e o instrumento pode influir no resultado da leitura. Assim, os termômetros de resistência são fornecidos em três configurações básicas, a saber:
Ligação a dois fios
Esta configuração fornece uma ligação para cada extremidade do sensor, como mostra a Fig. 113. É a construção mais simples, sendo satisfatória nos casos de medição de menor precisão onde a resistência do cabo pode ser considerada como uma constante aditiva no circuito e particularmente quando mudanças na resistência do cabo devido a variações da temperatura ambiente podem ser ignoradas. É usada normalmente quando a distância entre o sensor e o instrumento é inferior a 10m e a precisão moderada.
RL1 90
Figura 113 - Ligação a dois fios
Neste tipo de montagem, R4 é a termoresistência e R3 a resistência variável para balanceamento do circuito. As resistências RL1 e RL2 são as resistências de fiação e ambas estão em série com a termoresistência R4. Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensor e o instrumento, menor for a bitola dos fios ou maior a temperatura ambiente. Quando a ponte estiver balanceada (não circular corrente pelo galvanômetro) temos: R1.R3 = R2.(RL1+RL2+R4) se R1 = R2, tem-se R3 = RL1+RL2+RL4 Temos que mesmo com a ponte balanceada, o valor da resistência R3 é igual a R4 mais as resistências de fiação RL1 e RL2; que dependendo de seus valores podem induzir erros graves na medição de temperatura com termoresistência.
Ligação a três fios
Esta configuração fornece uma ligação numa extremidade do sensor e duas na outra. Conectado como indicado na Fig. 114, a uma ponte simétrica ou um instrumento projetado para aceitar entrada de três fios, obtém-se a compensação da resistência do cabo e efeitos da variação de temperatura sobre ela. É a configuração mais utilizada.
RL3 RL1 R4
R3
RL2 R1
R2
Figura 114 - Ligação a três fios
Este é o método mais utilizado para as termoresistências na indústria. Neste circuito a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas. 91
R1.(R3+RL1) = R2.(R4+RL2) como R1 = R2 R3+RL1 = R4+RL2 Se os fios de ligação forem do mesmo tipo, tiverem o mesmo comprimento e diâmetro e estiverem na mesma temperatura; eles terão o mesmo valor de resistência (RL1+RL2). Se
RL1 = RL2 R3 = R4
Conhecendo-se o valor de R3 tem-se R4 e na tabela tem-se a temperatura.
Ligação a quatro fios
A fonte de corrente S, fornece uma corrente estabilizada e conhecida através da termoresistência R e a tensão gerada é medida com um voltímetro de alta impedância ou potenciômetro. Desta forma a resistência dos condutores exerce um efeito desprezível sobre a medição. Veja Fig. 115. Condutores de corrente Termoresistência R
Condutores de tensão
Fonte de corrente S
Figura 115 - Ligação a quatro fios
Este tipo de medição a 4 fios é pouco usada em indústrias, tendo sua maior aplicação em laboratórios e sendo usado em sensores padrões.
Características dos materiais empregados em termômetro de resistência Alto coeficiente resistência / temperatura Maior alteração na resistência por grau centígrado proporciona maior sensibilidade na medição.
92
Alta resistividade Um índice maior de resistência por metro permite construir termômetros de resistência mais compactos. Estabilidade O material precisa manter estáveis suas características dentro de uma ampla faixa de temperatura e ter boa durabilidade. Linearidade da função resistência / temperatura Essa propriedade é importante porque resultará numa escala de indicação também linear, além de facilitar a compensação da linha de transmissão. Resistência mecânica O fio empregado no termômetro de resistência tem que ser resistente a choques, vibrações etc. A platina, com exceção do custo possui todas as características ideais para a fabricação dos termômetros de resistência. Vantagens dos termômetros de resistência -
grande sensibilidade resposta rápida podem ser utilizados em atmosferas corrosivas manutenção simples grande durabilidade dispensam de compensação de junção de referência
Desvantagens dos termômetros de resistência -
não suportam vibrações constantes faixa de trabalho restrita custo elevado difícil utilização em instrumentos galvanométricos extremamente sensível à baixa isolação
93
Exemplo de tabela temperatura x resistência Tabela 4 - Temperatura X Resistência TERMORESISTOR “PT-100”
Ro=100,00 a 0ºC ASTM-E-1137
Temperatura em graus Celsius (ITS-90) Resistência em ohms
Þ=0.00385 . ¯ ¹.ºC¯ ¹
100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 ºC 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
60,26 64,30 68,33 72,33 76,33 80,31 84,27 88,22 92,16 96,09 100,00 0 100,00 103,90 107,79 111,67 115,54 119,40 123,24 127,08 130,90 134,71 138,51
59,85 63,90 67,92 71,93 75,93 79,91 83,87 87,83 91,77 95,69 99,61 1 100,39 104,29 108,18 112,06 115,93 119,78 123,63 127,46 131,28 135,09 138,88
59,44 63,49 67,52 71,53 75,53 79,51 83,48 87,43 91,37 95,30 99,22 2 100,78 104,68 108,57 112,45 116,31 120,17 124,01 127,84 131,66 135,47 139,26
59,04 63,09 67,12 71,13 75,13 79,11 83,08 87,04 90,98 94,91 98,83 3 101,17 105,07 108,96 112,83 116,70 120,55 124,39 128,22 132,04 135,85 139,64
58,63 62,68 66,72 70,73 74,73 78,72 82,69 86,64 90,59 94,52 98,44 4 101,56 105,46 109,35 113,22 117,08 120,94 124,78 128,61 132,42 136,23 140,02
58,23 62,28 66,31 70,33 74,33 78,32 82,29 86,25 90,19 94,12 98,04 5 101,95 105,85 109,73 113,61 117,47 121,32 125,16 128,99 132,80 136,61 140,40
57,82 61,88 65,91 69,93 73,93 77,92 81,89 85,85 89,80 93,73 97,65 6 102,34 106,24 110,12 114,00 117,86 121,71 125,54 129,37 133,18 136,99 140,78
57,41 61,47 65,51 69,53 73,53 77,52 81,50 85,46 89,40 93,34 97,26 7 102,73 106,63 110,51 114,38 118,24 122,09 125,93 129,75 133,57 137,37 141,16
57,01 61,07 65,11 69,13 73,13 77,12 81,10 85,06 89,01 92,95 96,87 8 103,12 107,02 110,90 114,77 118,63 122,47 126,31 130,13 133,95 137,75 141,54
56,60 60,66 64,70 68,73 72,73 76,73 80,70 84,67 88,62 92,55 96,48 9 103,51 107,40 111,29 115,15 119,01 122,86 126,69 130,52 134,33 138,13 141,91
56,19 60,26 64,30 68,33 72,33 76,33 80,31 84,27 88,22 92,16 96,09 10 103,90 107,79 111,67 115,54 119,40 123,24 127,08 130,90 134,71 138,51 142,29
5.6 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR RADIAÇÃO Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso da pirometria óptica ou de radiação térmica. Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, enquanto o corpo está à temperatura não muito elevada. À medida que se aquece um corpo, a partir de temperaturas da ordem de 500 °C, o corpo começa a ficar visível porque começa a emitir radiações que tem 94
uma fração apreciável com freqüência de luz: o espectro visível. Ainda assim a maior parte da intensidade da radiação tem freqüência localizada na região do infravermelho. Se pudéssemos aquecer indefinidamente o corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul, Isto indica que a predominância da intensidade de radiação emitida dentro do espectro visível corresponde a freqüências crescentes à medida que a temperatura do corpo é elevada.
Radiômetro ou pirômetros de radiação Os radiômetros ou pirômetros de radiação operam essencialmente segundo a lei de StefanBoltzmann. São os sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha (associação em série - ver figura 116) ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor. Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são em geral portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados para o cálculo de temperaturas e seleção de valores. A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital.
Figura 116 - Radiômetro ou pirômetro de radiação
95
Os radiômetros são usados industrialmente onde: -
As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares. A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas falsas e pequena durabilidade ao par. No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam o produto. O objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento. Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques mecânicos ou impossibilidade de montagem.
Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em conta os seguintes dados: -
A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação. O sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo. O material da fonte e sua emitância. Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo para uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular). As condições do ambiente, temperatura e poeira. Velocidade do alvo.
Os radiômetros operam numa faixa entre -30 °C a 4000 °C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundos a 98% da mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida. 5.7 TERMOSTATO Chave que tem seu contato elétrico comutado em função da temperatura aplicada ao seu elemento sensor, contra uma temperatura de referência (set-point) previamente estabelecida. O termostato pode ser de alta ou temperatura: TSH ou TSL. Designados para acionar um alarme de alta ou baixa temperatura: TAH ou TAL. Há também chave de temperatura muito alta e chave de temperatura muito baixa, designadas respectivamente por: TSHH e TSLL, utilizadas em sistemas de intertravamento para interromper o funcionamento de um equipamento ou mesmo interromper a operação da planta em caso de emergência, veja figura 117.
Figura 117 - Termostato
96
Exercícios - Temperatura 1. Explique o funcionamento dos termômetros de vidro e bimetálico.
2. Compare os dois termômetros, ressaltando vantagens e desvantagens.
3. Explique o funcionamento dos termômetros de pressão.
4. Quais as diferenças entre o termopar e termoresistor.
5. Qual a aplicação dos pirômetros?
97
6 DENSIDADE A massa volumétrica, ou densidade define-se como a propriedade da matéria correspondente à massa por volume, ou seja, a proporção existente entre a massa de um corpo e seu volume. Desta forma pode-se dizer que a densidade mede o grau de concentração de massa em certo volume. Matematicamente dizemos que é a razão entre a massa do corpo e o volume que o mesmo ocupa.
ρ ρ ρ =
M V
M é a massa. V é o volume. ρ é a massa específica.
As unidades mais utilizadas para avaliar densidade são quilograma por metro cúbico Kg/m3 e grama por centímetro cúbico g /cm3 . 6.1 DENSIDADE RELATIVA É a relação entre a massa específica do fluido e a massa específica de uma substância tomada como referência. Para líquidos a referência é densidade da H2O = 1, 4ºC e 1 atm. d =
ρ fluido ρ H 2 O
Para gases a referência é densidade do ar = 1, a 0ºC e 1 atm. Observe que: ρ do fluido ( grama / cm 3 ) d = ρ de referencia (grama / cm 3 )
Como temos as mesmas unidades no numerador e no denominador cancelando-as, d torna-se um número adimensional. 6.2 VARIAÇÃO DA DENSIDADE COM A TEMPERATURA E A PRESSÃO As densidades de líquidos e sólidos praticamente não variam com a pressão, somente com a temperatura, porque com aumento da temperatura ocorre uma diminuição na densidade dos fluidos.
98
Observe que: ρ =
m v
;
V
=
V ( T )
Conclui-se então: Se a temperatura aumenta temos um aumento de volume de fluido e consequentemente uma redução na densidade. 6.3 TIPOS DE MEDIDORES DE DENSIDADE
Densímetro A densidade de líquido é comumente medida pelo uso de um densímetro, veja Fig. 118, observando a profundidade de penetração deste equipamento no líquido de medição. A densidade assim obtida é a relativa. Na Indústria é comum fazer-se a avaliação da concentração de soluções pela medida da densidade relativa, ou seja, utilizando um densímetro.
Figura 118 - Densímetro
Medidor contínuo A relação entre a massa e a freqüência natural do sistema massa mola é a base para a medição de densidade no medidor de vazão mássico por efeito coriolis. Para entender esta relação, considere o sistema massa mola da figura 119. Neste sistema um aumento na massa, implica numa redução da freqüência natural do sistema. Desta forma o sistema da figura 119A terá maior freqüência natural que o da figura 119B.
99
Figura 119 - Sistema massa mola
Fazendo uma analogia entre o medidor e o sistema massa mola. No medidor, Fig. 120, os tubos correspondem à mola. A massa dos tubos mais o seu conteúdo correspondem à massa na extremidade da mola. Durante a operação, a bobina excitadora, alimentada pelo transmissor de vazão, faz o tubo oscilar na sua freqüência natural.Quando a massa do fluido de processo aumenta, a freqüência natural do tubo diminui. Quando a massa do fluido de processo diminui a freqüência natural do tubo aumenta.
Figura 120 - Medidor por efeito coriolis e sistema massa mola
A densidade é definida como massa por unidade de volume ou massa dividida por volume. O volume do fluido contido nos tubos permanece constante, portanto a massa só pode variar se sua densidade também variar. Por causa da relação entre a massa e a densidade, a freqüência natural do tubo sensor não indica somente a massa do fluido contido nele, mas também a densidade. A densidade do fluido de processo pode ser derivada da freqüência de oscilação do sensor. Esta freqüência é obtida no sinal medido através da bobina captadora, como ilustra a Fig.121.
100
Figura 121 - Sinal da bobina captadora
A freqüência é medida em ciclos por segundos. É mais fácil medir o tempo que contá-lo, o transmissor de vazão por efeito coriolis computa a densidade do fluido de processo usando o período do tubo, o número de microssegundos por ciclo. O período do tubo é inversamente relacionado com a freqüência. A densidade está diretamente relacionada ao período do tubo.
Figura 122 - Período do tubo
101
Exercício - Densidade 1. Defina densidade.
2. Qual as unidades de densidade?
3. Explique a medição continua utilizando medidor por efeito Coriolis.
102
7 VÁLVULAS DE CONTROLE 7.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS A válvula de controle, Fig. 123, é um elemento final de controle que atua como orifício ou restrição variável numa tubulação, regulando o fluxo circulante através dela. Observando a figura abaixo, identificamos que a válvula de controle é composta de 3 partes que desempenham funções distintas, vejamos então: - Atuador ⇒ que fornece a força necessária para o funcionamento da válvula; Atuador
Posicionador Castelo
Corpo
Figura 123 - Válvula de controle
- Castelo ⇒ que liga o atuador ao corpo e serve como guia da haste; - Corpo ⇒ parte que fica em contato com o processo, onde ocorre a regulagem do fluxo. 7.2 ATUADOR Quanto ao meio de atuação, o atuador pode ser:
Mecânico - O atuador mecânico atua na válvula por meio de uma ação mecânica. Há dois tipos de atuador mecânico: ⇒ atuador
mecânico com haste deslizante - cujo movimento de saída é retilíneo. ⇒ atuador mecânico com eixo rotativo - cujo movimento de saída é angular. 103
Atuador pneumático tipo mola e diafragma - O atuador pneumático, Fig. 124, possui diafragma preso entre duas tampas, que formam as câmaras: superior e inferior. A força produzida pelo ar, na área do diafragma, é balanceada pela força de uma mola, localizada no atuador. Este tipo de atuador transforma a pressão do ar em movimento. Ele recebe a pressão de um controlador ou através de um posicionador da válvula de controle. Esta pressão atua na câmara superior do motor - ação direta, ou na câmara inferior - ação inversa, para deslocar a haste do atuador.
Figura 124 - Válvula com atuador mola e diafragma
Figura 125 - Ação do atuador mola e diafragma
A escolha do atuador deve basear-se nos seguintes critérios: -
O atuador deve ser reversível, isto é, deve trabalhar tanto com válvula de controle aberta por falta de ar (AFA) ou fechada por falta de ar (FFA), Fig. 125.
-
O atuador deve ter o motor com força suficiente para vencer a força da mola e a força devida à pressão diferencial sobre o obturador.
É possível instalar um dispositivo auxiliar de operação manual para permitir operar a válvula, em emergências, ou limitar o deslocamento da haste, geralmente, isto é feito através de um volante montado no topo ou na lateral da válvula. Fig. 126
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Figura. 126 - Atuador com volante
Componentes do atuador pneumático Motor - O diafragma do motor é construído em tela de algodão ou “nylon” com uma capa de neoprene em ambos os lados, possuindo uma resistência a ruptura até 135 PSI. O sinal de pressão que atua na superfície do diafragma desenvolve uma força suficiente para promover o deslocamento do obturador. Fig. 127. Haste do Atuador - Transmite mecanicamente o deslocamento do atuador ao obturador. Fig. 127. Garfo - Faz parte do atuador, o garfo-suporte, cuja função é assegurar o alinhamento perfeito entre o atuador, o castelo e o corpo da válvula. Este alinhamento deve ser observado com maior atenção no caso de válvulas com haste deslizante no qual o atuador é ligado a haste do obturador. O desalinhamento acarretará emperramento, desgaste excessivo nas gaxetas e nas guias. O material do garfo-suporte é confeccionado em ferro fundido, ou aço dando-se preferência ao aço por possuir maior resistência ao choque. Fig. 127. Mola - A mola tem a função de opor-se à força provocada pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma. Fig. 127.
Figura. 127 - Componentes do atuador pneumático
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Atuador elétrico O atuador elétrico pode ser um solenóide, que permite posicionar o obturador em duas posições, ou um motor elétrico reversível, que coloca o obturador na posição de abertura determinada pelo controlador. Fig. 128
Figura 128 - Válvula com atuador elétrico
Atuador tipo cilindro e pistão O atuador tipo cilindro consiste em um êmbolo no interior de um cilindro estanque. Presa a este êmbolo, encontra-se uma haste ligada ao obturador. A força atuante pode ser produzida a partir do ar comprimido ou de óleo, neste caso, o atuador é considerado hidráulico. Fig. 129.
Figura 129 - Atuador cilindro pistão
7.3 CASTELO O castelo é a parte da válvula de controle que serve de conexão entre o atuador e o corpo. Nele se encontra a caixa de gaxetas e o lubrificador externo. O castelo tem por finalidade proporcionar a estanqueidade necessária ao redor da haste e permitir o seu deslocamento com um mínimo de atrito para evitar a histerese. Quanto à aplicação, o castelo se classifica nos seguintes tipos:
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Castelo normal É de uso geral, tendo aplicações para temperaturas inferiores a 200 oC com fluidos não tóxicos. Fig. 130.
Figura 130 - Castelo normal e aletado
Castelo aletado Ë usado quando a temperatura do fluido for superior a 200oC. A função das aletas é permitir a dissipação do calor, mantendo a temperatura baixa, a fim de proteger as gaxetas. Se a válvula estiver operando com vapores condensáveis, as aletas não devem reduzir a temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois, se isto ocorrer, haverá condensação do vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituído por uma outra porção de vapor de temperatura mais elevada. Fig. 130.
Castelo alongado É usado para temperaturas inferiores a -5oC e deve ser suficiente longo para que a temperatura das gaxetas não atinja valores abaixo de -25oC, a fim de evitar o congelamento das mesmas, Fig. 131.
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Figura 131 - Castelo alongado de com fole
Castelo com fole É usado como selo para fluidos radioativos, caros ou tóxicos. O fole é confeccionado com uma liga resistente à corrosão e soldado à haste da válvula, fazendo uma selagem metálica para o líquido de processo. Fig. 131.
Caixa de gaxetas A caixa de gaxetas faz parte do castelo, e sua finalidade é proporcionar a estanqueidade do fluido, além de servir como guia da haste. Deve comportar uma altura de gaxeta equivalente a 6 vezes o diâmetro da haste. Fig. 132. Quando se usam gaxetas de amianto ou amianto grafitado, a caixa de gaxetas possui um anel de lubrificação que tem a função de distribuir o lubrificante ao redor da haste. Para lubrificar as gaxetas, há dois tipos de lubrificadores:
Lubrificador comum
Lubrificador com válvula de isolação
Figura 132 - Lubrificador comum e c/ válvula de isolação 108
O lubrificador comum é usado em válvulas que operam em baixa pressão, dispensando por isto a válvula de isolação. O lubrificador com válvula de isolação é usado em válvulas que operam em alta pressão.
Gaxetas O emprego de uma gaxeta adequada é muito importante em uma válvula de controle, especialmente quando se trata de fluidos corrosivos. O uso de gaxetas inadequadas poderá provocar vazamentos, ou danificar a haste da válvula, cujo diâmetro é rigorosamente dimensionado e sua superfície é retificada e polida. Os materiais geralmente empregados para confecção de gaxetas são: Teflon - É o mais usado, pois é inerte em relação a todas as substâncias químicas, com exceção do sódio líquido. É usado para temperaturas entre -100oC para castelo comum, e até 430 0C com castelo aletado. Pode ser aplicado na forma de teflon puro, moído ou prensado em anéis, e em cordões, composto com amianto. O formato mais adequado é o anel de teflon em “ V “. Amianto - É usado para serviços em hidrocarbonetos com propriedades lubrificantes, água e vapor, operando em temperaturas até 400oC. Amianto Grafitado - É usado para serviços em hidrocarbonetos não lubrificantes, operando em temperaturas até 400oC com castelo comum e até 540 oC com castelo aletado. Grafoil - São gaxetas ou juntas de grafite puro, sem resinas ou componentes orgânicos. Características: - Boa resistência à corrosão; - resistem a altas e baixas temperaturas; - não é abrasivo; - são auto-lubrificantes. 7.4 CORPO O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato com o fluido a ser controlado. Nele encontram-se os elementos responsáveis pela regulagem do fluxo (obturador e sede). É o tipo de corpo que determina a classificação das válvulas de controle, portanto são disponíveis vários tipos adequados a aplicações específicas, tais como: -
válvula globo válvula de três vias válvulas “saunders” válvula borboleta válvula de corpo dividido 109
Válvula globo É chamada válvula globo, porque o seu corpo tem um formato esférico. Existem dois tipos de válvulas globo, veja Fig. 133:
Válvulas globo com sede simples - É a válvula que permite ao fluido escoar por uma única passagem. É usada sempre que necessita de uma estanqueidade perfeita (0,01% da máxima capacidade da válvula). Observando as figuras notamos que o corpo da válvula globo pode ser irreversível ou reversível. O corpo reversível permite inverter a ação da válvula de controle.
Figura 133 - Válvulas de sede simples
Na válvula de sede simples, o obturador possui guias no topo e na base, que servem para atenuar o efeito de vibrações entre a sede e o obturador. Quando for possível, a válvula de sede simples deve ser instalada de tal forma que a vazão tenda a abrir a válvula como indicado na figura 134, a fim de se obter uma operação suave e silenciosa. Se a válvula for instalada com a vazão tendendo a fechar, haverá instabilidade e trepidação entre a sede e o obturador, ocorrendo um martelamento contra a sede.
Figura 134 - Instalação de válvula sede simples
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Válvula globo de sede dupla É a válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens, veja na Fig. 135. Esta válvula chamada válvula de equilíbrio de pressão, pois, como mostra a figura, o fluido desenvolve forças em sentidos opostos sobre o obturador. Este tipo de válvula é bastante usado devido à sua maior sensibilidade ao sinal pneumático, sendo necessária uma pequena diferença de pressão no diafragma do motor, para movimentar o obturador. Existe uma relação de 1/16” a 1/8” entre os diâmetros do orifício das sedes, a fim de permitir a montagem do obturador.
Figura 135 - Válvula sede dupla
A válvula de sede dupla geralmente possui guias no topo e na base, a fim de evitar vibrações entre as sedes e o obturador. A válvula de sede dupla apresenta a desvantagem de não proporcionar uma vedação perfeita, pois há necessidade de se fazer duas vedações a um só comando do diafragma e, a qualquer dilatação, contração ou desgaste de uma das partes vedantes (sedes ou obturadores), dar-se-á vazamento. O vazamento da válvula de sede dupla bem ajustada é da ordem de aproximadamente 0,5% da vazão máxima, porém, normalmente, este vazamento é da ordem de aproximadamente 2% da vazão máxima. A válvula de sede dupla é dimensionada em tamanho igual ou maior que 2”.
Válvula shut-off O termo significa válvula de bloqueio de operação automática, que é o resultado da combinação de uma válvula de controle com uma válvula solenóide com objetivo de conferir à primeira a capacidade de operar de forma biestável, ou seja, totalmente aberta ou fechada. Válvulas shut-off são normalmente empregadas para executar carregamento e descarregamento de vasos, tanques, reatores, fazer desvio de equipamentos, permitir sequências de intertravamento em sistemas de ensacamento, etc. Devem possuir como características, excelente vedação e alta velocidade de comutação aberta/fechada e vice-versa.
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Internos das válvulas Normalmente costuma-se definir ou representar os internos da válvula de controle como a 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 fluido conforme a necessidade imposta pela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão que passa e a abertura da válvula (afastamento do obturador em relação à sede). Esta tal relação é denominada de características de vazão da válvula e podemos por enquanto defini-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e o afastamento do obturador relativo à sede. Este afastamento é uma fração de deslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total da válvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador. Não fosse o bastante isso, a parte interna tem que ainda proporcionar a necessária estanqueidade da válvula quando totalmente fechada O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e que entram em contato com o fluído de processo.
Obturadores da válvula globo convencional O obturador é o elemento vedante do conjunto dos internos da válvula com formato de disco, ou de contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo, obturando o orifício de passagem, de modo a formar uma restrição variável ao fluxo, veja na Figura 136, vários tipos de obturadores aplicados em válvulas de controle.
Figura 136 - Obturadores
7.5 CARACTERÍSTICAS 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 possui 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.
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Por outro lado, sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula varia com a pressão diferencial através dela, e, portanto tal variação da pressão diferencial deve afetar a característica de Vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de característica 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. 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 inerente 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 em relação à sede (caso das válvulas borboleta e esfera). Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerente: a) Linear; b) Igual porcentagem (50:1): c) Parabólica modificada e d) Abertura rápida. Característica de vazão inerente tipo linear: é
a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações da vazão. Fig. 137 Característica de vazão inerente tipo igual porcentagem :
é a característica pela qual iguais incrementos do curso determinam variações da vazão que mantém sempre a mesma porcentagem da vazão existente. Fig. 137 Característica de vazão inerente tipo parabólica modificada :
trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem. Não possui uma definição exata, como as características anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada. Fig. 137 Característica de vazão inerente tipo abertura rápida :
trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso. Este tipo de válvula possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total.
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Figura 137 - Características de vazões
7.6 POSICIONADOR É o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador da válvula para posicionar corretamente o obturador da válvula. O posicionador compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao motor da válvula a pressão de ar necessária para colocar o obturador na posição correta, veja na Fig. 138 um posicionador pneumático. Atualmente existe disponibilidade de posicionadores eletrônicos e digitais.
Figura 138 - Posicionador
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Principais aplicações do posicionador em válvulas de controle
1 - Para válvulas de sede simples, recolocar a válvula na abertura correta, quando a pressão exercida no obturador variar. 2 - Diminuir o atrito no obturador, provocado por fluído viscoso e pela sedimentação. 3 - Modificar a faixa do sinal do controlador. O posicionador recebe um sinal de pressão de 3 a 15 PSI do controlador e emite um sinal de 6 a 30 PSI para o diafragma do atuador da válvula. 4 - Aumentar a velocidade de resposta da válvula. Usando um posicionador, eliminam-se os atrasos de resposta provocados pelo comprimento e diâmetros dos tubos de ligação entre a válvula e o controlador; o volume do atuador e a capacidade do relê piloto do controlador. 5 - Inverter a ação do controlador. Quando a ação do atuador da válvula for diferente da ação do controlador, pode-se usar um posicionador para inverter a ação do controlador. Porém, geralmente, esta inversão é feita no próprio controlador. Limitações no uso do posicionador As aplicações acima são muito usadas; entretanto, pesquisas mais recentes indicam que o uso de posicionadores pode ser prejudicial para a qualidade do controle em processos rápidos, como processos de pressão e vazão de líquidos. Quando necessários, podem ser usados "Boosters" para pressão ou volume ao invés de posicionadores. Para processos lentos, tais como sistemas térmicos, nível de líquidos e alguns processos de pressão para grandes volumes de gás, o posicionador deverá melhorar a qualidade do controle ainda que isto não seja necessário. A função intrínseca de um posicionador é garantir que a válvula de controle permaneça firmemente na posição solicitada pelo elemento controlador, interpretando corretamente o sinal que recebe e alterando rapidamente e proporcionalmente a posição da válvula, sempre que o sinal também se modifique. O posicionador faz com que a válvula de controle permaneça coerentemente de acordo com sinal de controle que recebe, vencendo todas e quaisquer forças que venham a interferir no posicionamento da haste do obturador. Com a incorporação de tecnologias digitais, o posicionador, está se tornando cada vez mais inteligente, atribuindo maior precisão à operação. Com isso, além de sua função principal – o correto posicionamento da válvula -, outras funções complementares foram incorporadas, como autodiagnose, diagnóstico do atuador e da válvula e à sua própria calibração e configuração. Algumas das vantagens proporcionadas pelo posicionador inteligente são: rapidez de resposta, monitoração intrínseca do processo e diagnósticos da performance da válvula (por ser microprocessado, o posicionador tem a capacidade de separar as informações de ida e de volta, beneficiando o processo).
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Existem posicionadores disponíveis no mercado em que a função de posicionamento da válvula é efetuada através de um algoritmo PID, com seus parâmetros ajustados automaticamente (auto-tuning), através de funções de inteligência artificial. Estas mesmas funções são utilizadas para calibração do posicionador à válvula (ajustes de zero e span), também efetuadas automaticamente: hoje para se calibrar um equipamento destes, basta pressionar um único botão e esperar que o posicionador avise que concluiu sua calibração, se a operação foi bem sucedida ou não e, ainda, caso negativo, por qual motivo. Além disso, estes posicionadores são capazes de se comunicar digitalmente com softwares especiais, que permitem a realização de funções ainda mais sofisticadas, por exemplo, parametrização e calibração remota, acesso a base de dados históricos, e a incorporação de dados de manutenção a sistemas de gerenciamento de amplo espectro, que incluem não só os posicionadores, mas todo o elenco de equipamentos de automação de uma unidade ou planta.
Exercícios - Válvulas de controle 1. Qual a função da válvula de controle na malha de controle?
2. Quais as partes da válvula de controle?
4. Cite 4 tipos de válvulas?
5. Quais as características de vazão aplicadas em válvulas?
6. Qual a função do posicionador?
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