METROLOGIA_ALTA.pdf

SÉRIE PETRÓLEO E GÁS

METROLOGIA E INSTRUMENTAÇÃO APLICADA A PETRÓLEO E GÁS


METROLOGIA E INSTRUMENTAÇÃO APLICADAS A PETRÓLEO E GÁS

CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA � CNI Robson Braga de Andrade

Presidente

DIRETORIA DE EDUCAÇÃO E TECNOLOGIA � DIRET Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti

Diretor de Educação e Tecnologia

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL � SENAI Conselho Nacional Robson Braga de Andrade

Presidente

SENAI – Departamento Nacional Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti

Diretor Geral Gustavo Leal Sales Filho

Diretor de Operações



© 2012. SENAI – Departamento Nacional © 2012.SENAI – Departamento Regional do Rio de Janeiro Reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI. Esta publicação foi elaborada pela equipe do Núcleo de Educação a Distância do SENAI do Rio de Janeiro, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância.

SENAI – Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica – UNIEP SENAI – Departamento Regional do Rio de Janeiro Núcleo de Educação a Distância – NUCED

FICHA CATALOGRÁFICA Catalogação-na-Publicação (CIP) – Brasil Biblioteca Artes Gráficas – SENAI-RJ S491m SENAI/DN. Metrologia e instrumentação aplicadas a petróleo e gás / SENAI/DN [e] SENAI/RJ. – Brasília : SENAI/DN, 2012. 128 p. : il. ; 29,7 cm. – (Série Petróleo e Gás). ISBN

978-85-

1. Indústria petroquímica. 2. Metrologia. I. SENAI/RJ. II. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. III. Tít ulo. IV. Série. CDD: 665.5

SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional

Sede Setor Bancário Norte • Quadra 1 • Bloco C • Edifício Roberto Simonsen • 70040-903 • Brasília – DF • Tel.: (0xx61) 3317-9001 Fax: (0xx61) 3317-9190 • http://www.senai.br

Lista de ilustrações Figura 1 – Controle da unidade de processo de uma re�naria de petróleo Figura 2 – Símbolos e números formam as grandezas físicas Figura 3 – Paquímetro Figura 4 – Termômetro de dilatação de líquidos Figura 5 – Exemplo de erro aleatório Figura 6 – Na plataforma de petróleo, a instrumentação necessária Figura 7 – Exemplo de rede com tecnologia Hart Figura 8 – Exemplo de rede Fieldbus Figura 9 – Tipo coluna reta Figura 10 – Tipo coluna em U Figura 11 – Tipos de Bourdon Figura 12 – Manômetro C Figura 13 – Manômetro de Fole Figura 14– Manômetro de diafragma Figura 15 – Manômetro com contato elétrico Figura 16 – Manômetro de selo Figura 17 – Tipos de sifão Figura 18 – Fitas extensiométricas Figura 19 – Sensor Piezoelétrico Figura 20 – Sensor Capacitivo Figura 21 – Temperatura x pressão Figura 22 – Exemplo de norma da ABNT Figura 23 – Termômetro de capela Figura 24 – Termômetros de dilatação Figura 25 – Termômetro bimetálico Figura 26 – Termopar com indicador Figura 27 – Efeito Seebeck Figura 28 – Efeito Peltier Figura 29 – Lei dos circuitos monogêneos Figura 30 – Leis dos metais intermediários Figura 31 – Juntas de referência Figura 32 – Vantagens dos termopares de isolação mineral Figura 33 – Associação de termopares em série Figura 34 – Associação em série oposta Figura 35 – Esquema da associação em paralelo Figura 36 – Sensor Pt100 com miçanga de óxido de magnésio com bainha Figura 37 – Sensor Pt100 Figura 38 – Termorresistências com miçanga

11 15 29 29 32 43 44 45 49 50 51 52 53 53 54 55 55 56 57 58 61 62 63 64 65 65 67 67 69 69 72 74 76 76 77 79 79 80

Figura 39 – Ponte de wheatstone Figura 40 – Ponte de wheatstone com termorresistência a dois �os Figura 41 – Ponte de wheatstone com termorresistência a três �os Figura 42 – Tipos de escoamento Figura 43 – Placa de orifício Figura 44 – Placa de orífício numa tubulação Figura 45 – Tubo Venturi Figura 46 – Tubo de Pitot Figura 47 – Medidor de vazão tipo turbina Figura 48 – Medidor de vazão (Coriolis) Figura 49 – Régua e gabarito Figura 50 – Visor de nível tubular e vidro plano Figura 51 – Visor de nível plano Figura 52 – Medidor de nível utilizando boia Figura 53 – Medidor por pressão diferencial Figura 54 – Medidor de nível capacitivo Figura 55 – Medidor de nível de ultrassom Figura 56 – Ponte de wheatstone Figura 57 – Válvula de processo Figura 58 – Malha aberta Figura 59 – Malha fechada Figura 60 – Controlador Figura 61 – Válvula de controle Figura 62 – Tipos de controle Figura 63 – Medidor com célula de zircônio – célula com prisma Figura 64 – Medidor com célula de zircônio Figura 65 – Grá�cos do analisador de oxigênio (O2) Figura 66 – Controle feedback Figura 67 – Controle em cascata Figura 68 – Controle de relação Figura 69 – Controle Split-Range Figura 70 – Fluxograma de redução de riscos Figura 71 � Escala de instrumento analógico Figura 72 � Registrador Figura 73 � Transmissor Figura 74 � Válvula conversora Figura 75 � Controladores Figura 76 � Curva característica do erro de histerese Figura 77 – Malha de processo

81 81 82 86 88 88 89 89 90 91 92 93 93 94 94 95 96 97 98 100 100 101 102 104 105 105 106 107 108 109 110 111 111 112 112 112 113 115 120

Sumário 1. Introdução

11

2. Sistemas de grandezas (métrico, inglês)

15

2.1 Introdução à metrologia dimensional

17

2.2 Conversão de unidades

22

2.3 Múltiplos, submúltiplos

24

2.4 Instrumentos de medidas (medidas lineares)

27

2.5 Noções de normas e legislação aplicada à metrologia

40

3 Instrumentação básica

43

3.1 Básico de instrumentação

43

3.2 Medição de Pressão

45

3.3 Temperatura

59

3.4 Medição de vazão – Princípios e de�nições

83

3.5 Nível

91

3.6 Elementos �nais de controle

98

3.7 Analisadores de Gases

104

3.8 Tipos de malhas de processo

107

4. Fluxogramas

111

4.1 Características gerais de instrumentos utilizados nas indústrias de Petróleo, Química, Farmacêutica, Alimentos e Siderúrgica

111

4.2 Terminologia utilizada em instrumentação que de�ne características estáticas e dinâmicas dos instrumentos

113

4.3 Simbologia

116

4.4 Malha de processo – Identi�cação de instrumentação

119

Referências

123

Introdução

1

o h l e o C o t n i P s e r a o S o n a i r a M é s o J

Figura 1 – Controle da unidade de processo de uma re�naria de petróleo

Este livro tem como �nalidade apresentar de forma rápida os equipamentos e os processos, utilizados na indústria de petróleo. Acompanhe alguns dos assuntos que serão abordados a seguir.

MEDIÇÃO Conteúdo em que terá uma visão das práticas de medição, dos instrumentos de medição utilizados e das variáveis de processo. Acompanhe no quadro ao lado. MEDIÇÃO DE VAZÃO � Você saberá como é feita a

medição de vazão em petróleo e gás e os principais instrumentos utilizados. MEDIÇÃO DE PRESSÃO � Você conhecerá as técni-

cas de medição de pressão nos poços de petróleo e os instrumentos empregados.

Pressão Temperatura Nível Vazão Controle de processo Análise de gases Protocolos empregados na

comunicação dos instrumentos de medidas como: Protocolo Hart e Protocolo Fieldbus) Os instrumentos que são utilizados em plataformas de extração de petróleo e em re�narias

12


PETROLÍFERA

MEDIÇÃO DE NÍVEL � Você poderá conhecer as técnicas de medição do nível

Indústria de petróleo.

dos tanques abertos e dos tanques fechados. Também �cará sabendo como é feito o armazenamento de Petróleo e Gás.

1

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA � Você vai descobrir como os sensores são utiliza-

dos na indústria de petróleo e gás. MEDIÇÃO DE GASES � Neste item você verá que se trata de uma operação

realizada com o emprego de células especiais. METROLOGIA � Você vai conhecer as técnicas de calibração, conceitos e estabe-

lecimento de tratamentos estatísticos. Depois de aprender as técnicas você vai descobrir que a indústria de Petróleo e Gás utiliza essas medidas na obtenção de certi�cados de calibração para garantir a con�abilidade do que foi medido. CONTROLE DE PROCESSO � Com este conceito você vai identi�car as princi-

pais técnicas utilizadas pelos controladores nas plataformas e re�narias de Petróleo e Gás.

Metrologia e Instrumentação Aplicadas a Petróleo e Gás COMPONENTES CURRICULARES

CARGA HORÁRIA

Fundamentos Técnicos e Cientí�cos de Petróleo e Gás Comunicação/Informática – 32h Fundamentos da Indústria de Petróleo e Gás – 60h

Módulo Básico

QSMS – 24h e Instrumentação Metrologia

356h

Aplicadas a Petróleo e Gás – 80h

Química Aplicada ao Petróleo e Gás – 80h Física Aplicada ao Petróleo e Gás – 80h

Módulo Especí�co Pro�ssional (1ª Etapa)

Operação de Sistema Produtivo na Cadeia de Petróleo e Gás Exploração On-shore e Off-shore – 160h Tecnologias do Sistema Produtivo On-shore e Off-shore – 160h Processamento do Petróleo e Gás – 100h Logística e Manutenção da Cadeia de Petróleo e Gás – 64h

484h

Manutenção em Sistemas Produtivos na Cadeia de Petróleo e Gás Manutenção Industrial – 100h Módulo Especí�co Pro�ssional (2ª Etapa)

Planejamento e Atividade na Cadeia de Petróleo e Gás Gestão de Pessoas – 40h Gestão da Produção – 80h Controle da Qualidade de Insumos, Produtos e Processos na Cadeia de Petróleo e Gás Ensaios Analíticos na Cadeia de Petróleo e Gás – 80h Avaliação de Desempenho de Insumos, Produtos e Processos – 60h CARGA HORÁRIA TOTAL: TÉCNICO EM PETRÓLEO E GÁS: 1.200H

360h

1 INTRODUÇÃO

Anotações:

13

Sistemas de grandezas

2

S=

∑ (Xk – X)2

k=1

n–1 a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Figura 2 – Símbolos e números formam as grandezas físicas

A norma ABNT NBR ISO31-11:2006 adota um sistema de grandezas físicas. Ele está estruturado em sete grandezas. Con�ra no quadro a seguir.

Comprimento Massa Tempo Intensidade de corrente elétrica Temperatura termodinâmica Quantidade de matéria Intensidade luminosa

a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Basicamente, quando falamos de sistema de grandeza podemos pensar em dois sistemas:

Sistema métrico

Sistema inglês

16


SISTEMA MÉTRICO Este sistema utiliza o metro como padrão. O termo metro teve origem na palavra grega “Metron” que signi�ca medir. No Brasil, o sistema métrico foi implantado pela Lei Imperial nº 1.157, de 26 de junho de 1862. Esta lei estabeleceu um prazo de dez anos para que os padrões antigos fossem inteiramente substituídos. O metro a que se refere a Lei foi de�nido como sendo a distância entre os dois extremos da barra de platina, depositada nos arquivos da França e apoiada nos pontos de �exão mínima na temperatura de zero grau Celsius.

SISTEMA INGLÊS O sistema inglês tem como padrão a jarda. Esse termo tem origem na palavra inglesa Yard que signi�ca vara. É uma referência ao uso de varas nas medições. Esse padrão foi criado por alfaiates ingleses. No século XII, em consequência da sua grande utilização, esse padrão foi o�cializado pelo rei Henrique I. A jarda teria sido de�nida, então, como a distância entre a ponta do nariz do rei e a de seu polegar, com o braço esticado. As relações existentes entre a jarda, o pé e a polegada também foram instituídas por leis, nas quais os reis da Inglaterra �xaram que: 1 jarda = 3 pés = 36 polegadas 1 polegada = 25,4 mm 1 pé = 12 polegadas 1 milha terrestre = 1.760 jardas = 5.280 pés A polegada, unidade adotada pelo sistema inglês, em mecânica, pode ser representada por dois sistemas: Sistema binário (fracionário)

Sistema decimal

O sistema binário (fracionário) caracteriza-se pela maneira de sempre dividir por dois a unidade e as suas frações. Assim, obtém-se, da polegada, a seguinte série decrescente: 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 1", 2" 4" 8" 16" 32" 64" 128"

2 SISTEMAS DE GRANDEZAS

O sistema decimal caracteriza-se por ter, sempre, no denominador da fração, uma potência de base dez, como mostra a série:

1" = 1" = 1 " 10º 1

1" = 1" = 0,1" 101 10

1" = 1" = 0,01" 102 100

1" = 1" = 0,001" 103 1000

1" = 1" = 0,0001" 104 10000

Os termos milésimo e décimo de milésimo de polegada são os mais utilizados na prática. Nas medições em que se requer maior exatidão, utiliza-se a divisão de milionésimos de polegada, também chamada de micropolegada. Em inglês, micro inch. É representado por μ inch. Exemplo: 0,000001” = 1 μ inch

2.1 INTRODUÇÃO À METROLOGIA DIMENSIONAL Nos laboratórios de metrologia é necessário controlar a entrada de pessoas, a temperatura e a umidade relativa do ar. VOCÊ indústria de petróleo e as refinarias necessitam de SABIA? A instrumentos de medidas calibrados e com confiabilidade metrológica.

Metrologia é a ciência da medição, veremos ver a seguir alguns conceitos que serão empregados ao longo deste livro.

Metrologia legal

Ajuste

Metrologia cientí�ca

Exatidão de medição

Calibração

Incerteza de medição

Controle metrologia

Erro de medição

Medir

Erro aleatório

Medição

Erro sistemático

Grandeza

Padrão

Con�ra na página seguinte a de�nição de cada um desses conceitos.


17

18


Metrologia legal – Parte da metrologia que se refere às exigências le gais, técnicas e administrativas, relativas às unidades de medida, aos métodos de medição, aos instrumentos de medir e às medidas materializadas. Metrologia cientí�ca – Refere-se às unidades de medida e seus padrões, assim como estabelecimento, reprodução, conservação e transmissão dos dados. Seu objetivo é a padronização das unidades no mais alto nível, pesquisando processos para a medição de grandezas e encarregando-se, também, de sua normatização, sistematização e aprimoramento. Calibração – É o confronto de um instrumento de medição com um padrão. Os instrumentos de medida utilizados nas re�narias e plataformas de petróleo são calibrados e emitido um certi�cado de calibração. Controle metrologia – São operações que visam assegurar a garantia pública nos principais campos da metrologia legal. Medir – É o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física é determinado como um múltiplo e/ou fração de uma unidade estabelecida por um padrão. Medição – É o conjunto de operações que tem como objetivo determinar um valor para uma grandeza. Grandeza – Atributo de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado. Ajuste – Operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com seu uso. Exatidão de medição – Grau de concordância entre o resultado de uma medição e um valor verdadeiro do mensurando. Em inglês, o termo é accuracy of measurement. Incerteza de medição – Parâmetro, associado ao resultado de uma medição, que caracteriza a dispersão dos valores que podem ser fundamentadamente atribuídos a um mensurando. Erro de medição – Resultado de uma medição menos o valor verdadeiro do mensurando. Uma vez que o valor verdadeiro não pode ser determinado, utiliza-se na prática, um valor verdadeiro convencional. Erro aleatório – É o resultado de uma medição menos a média que resultaria de um in�nito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade. Observações: 1. O erro aleatório é igual ao erro menos o erro sistemático. 2. Em razão de que apenas um �nito número de medições pode ser feito, é possível apenas determinar uma estimativa do erro ale atório. Erro sistemático – Média que resultaria de um in�nito número de medições do mesmo mensurando, efetuadas sob condições de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensurando. Padrão – Medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinado a de�nir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza, para servir como referência.



Acompanhe em seguida os diversos padrões com suas de�nições: Padrão primário Padrão secundário Padrão internacional Padrão nacional Padrão de trabalho

Padrão primário Padrão que é designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrológicas e cujo valor é aceito sem referência a outros padrões de mesma grandeza. Padrão secundário Padrão cujo valor é estabelecido por comparação a um padrão primário da mesma grandeza. Padrão internacional Padrão reconhecido por um acordo internacional, servindo como base para estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão nacional Padrão reconhecido por uma decisão nacional para servir, em um país, como base, com a �nalidade de estabelecer valores a outros padrões da grandeza a que se refere. Padrão de trabalho Padrão utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas materializadas, instrumentos de medição ou materiais de referência.

Rastreabilidade Propriedade do resultado de uma medição ou do valor de um padrão que esteja relacionado às referências estabelecidas. Geralmente padrões nacionais ou internacionais, por meio de uma cadeia contínua de comparações, todas tendo incertezas estabelecidas.

Instrumentação É o conjunto de técnicas e instrumentos usados para observar, medir, registrar, controlar e atuar em fenômenos físicos. A instrumentação preocupa-se com o estudo, desenvolvimento, aplicação e operação dos instrumentos.

19

20


Sistema internacional de medição Sistema coerente de unidades adotado e recomendado pela Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM). Desde 3 de maio de 1978, pelo Decreto nº 81.621, o Brasil adota o Sistema Internacional de Unidades (SI). O Sistema é baseado, atualmente, nas sete unidades de base. Veja a relação abaixo:

Unidades básicas do sistema GRANDEZA

UNIDADE

SÍMBOLO

Comprimento

metro

m

Massa

quilograma

kg

Tempo

segundos

s

Corrente elétrica

ampère

A

Temperatura termodinâmica

Kelvin

K

Quantidade de matéria

mol

mol

Intensidade luminosa

candela

cd

Hierarquia de padrões Os padrões, independentemente da organização a que pertencem, seja um laboratório industrial ou laboratório de um instituto de pesquisa de alta tecnologia, devem, internamente, ser classi�cados em:

Padrões de referência

Padrões de transferência

Padrões de trabalho

Hierarquia dos laboratórios metrológicos Esta classi�cação permite estabelecer a disseminação dos valores das grandezas estabelecidas pelo Sistema Internacional de Unidades, desde a sua de�nição, o desenvolvimento do fenômeno físico escolhido por acordo internacional, até as mais simples aplicações do processo de medição na cadeia produtiva. A precisão das medidas difere largamente entre os diversos níveis da hierarquia dos laboratórios metrológicos. Esta hierarquia possui os seguintes níveis:

Padrão primário

Padrão secundário

Padrão terciário (indústria )


Os padrões primários nacionais são calibrados em relação aos padrões primários internacionais. No ápice desta hierarquia teríamos um impasse, pois não saberíamos quem deveria calibrar os padrões de referência internacionais. Como estes padrões são de�nidos por acordo internacional, eles são adotados por convenção, levando em conta o fato de que a realização do fenômeno físico que de�ne a grandeza não está sujeita aos erros comumente identi�cados nos outros padrões.

No entanto, periodicamente, são realizados programas interlaboratoriais para estabelecer a dispersão com que a grandeza é de�nida internacionalmente, eles são de�nidos nos vários institutos internacionais que participam do Birô Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).


CASOS E RELATOS

Fomos chamados para veri�car um problema em um transmissor de temperatura, de uma plataforma de extração de petróleo. No instrumento TT 2201T02, o operador alegava defasagem de medição. Na sala de controle, a indicação do transmissor era de 82,25ºC. O operador estava utilizando um termômetro de 4½ dígitos, com um sensor termopar, tipo J manual, ele a�rmou que mediu durante uma hora e que o termômetro tinha certi�cado de calibração, tendo observado que a temperatura do tanque estava errada (temperatura medida: Ter 002 – 78,70ºC). Foi solicitada uma PT (Permissão de Trabalho), em função da defasagem de 2,55 ºC. A temperatura máxima do tanque é de 90ºC (no processo) e a tolerância do processo é ± 0,5%, o que dá uma temperatura de 0,45ºC, muito acima do erro. Foi medida a temperatura do sensor que, na ocasião, marcava 82,30 ºC. O transmissor foi calibrado e não foi encontrado erro de medição. Solicitamos ao operador o certi�cado de calibração do termômetro e constatamos que o termômetro estava com o certi�cado vencido. Então, o termômetro foi encaminhado para a calibração, onde se veri�cou o erro na medição. O termômetro foi calibrado e comunicamos, a operação que só utilizasse termômetros com validade de calibração.

21

22


2.2 CONVERSÃO DE UNIDADES Unidades usadas no Brasil UNIDADES

SÍMBOLO

GRANDEZA

Metro

m

Comprimento

Metro quadrado

m2

Área

Metro cúbico

m3

Volume

Quilograma

kg

Massa

Litro

l

Volume ou Capacidade

Mililitro

ml

Volume ou Capacidade

Quilômetro

km

Comprimento (distância)

Metro por segundo

m/s

Velocidade

Hora

h

Tempo

min

Tempo

Segundo

s

Tempo

Grau Celsius

ºC

Temperatura Celsius

Kelvin

K

Temperatura

Hertz

Hz

Frequência

Newton

N

Força

Pascal

Pa

Pressão

Watt

W

Potência

Ampère

A

Corrente elétrica

Volt

V

Tensão elétrica

Candela

Cd


Mol

Mol


Minuto


23

Sempre que uma medida estiver em uma unidade diferente daquela que se está utilizando, ela deve ser convertida, ou seja, precisamos mudar a unidade da medida. Por conta disso, para converter polegada em milímetro necessitamos de uma informação precisa. Acompanhe com atenção!

Sabendo-se que uma polegada mede 25,4mm, a conversão de polegada decimal em milímetro ou de polegada binário em milímetro é feita quando multiplicamos o valor da polegada decimal ou binário por 25,4mm.


CONVERSÃO DE UNIDADES DE PRESSÃO Em pressão podemos usar vários tipos de unidades de pressão. No sistema SI, a unidade usada é o Pascal (Pa). Observe alguns exemplos de unidades:

Pa, kgf/cm2, mHg, mH2O, lbf/pol2 (Psi), atm e bar

Tabela de conversão de pressão UNIDADE DE PRESSÃO Pa (N/m2)

kgf/cm2

psi

pol.H2O

cm.H2O

pol.Hg

mmHg

atm

bar

1

1,0197 x 10-5

1,45 x 10-4

4,0147 x 10-3

0,010197

2,953 x 10-4

7,501 x 10-3

9,8692 x 10-6

1 x 10-5

9,8064 x 10-4

1

14,22

393,7

1000

28,96

735,6

0,9678

0,98069

6,8948 x 103

0,07031

1

27,68

70,31

2,036

51,71

0,06805

0,06895

249,08

0,00254

0,03613

1

2,540

0,07355

1,868

0,00246

0,0249

98,064

0,0010

0,01422

0,3937

1

0,02896

0,7356

9,678 x 10-4

9,8064 x 10-4

3,3864 x 103

0,03453

0,4912

13,5951

34,53

1

25,40

0,03342

0,03386

133,32

0,00136

0,01934

0,5352

0,001359

0,03937

1

0,00132

1,3332 x 10-3

1,0133 x 105

1,033

14,69

406,79

1033

29,92

760,0

1

1,0133

1 x 105

1,0197

14,504

401,47

1019,7

29,53

750,06

0,98692

1

24


2.3 MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS Resistência elétrica SUBMÚLTIPLOS

UNIDADE

VALOR

Miliohm

mΩ

10-3 Ω

Múltiplos

Unidade

Valor

Quiloohm

kΩ

103 Ω

Megaohm

MΩ

106 Ω

Gigaohm

GΩ

109 Ω

Tabela de conversão baseada no Sistema Internacional de Unidades (SI) UNIDADE

SÍMBOLO

FATOR DE MULTIPLICAÇÃO

exametro

Em

1018 = m

petametro

Pm

1015 = m

terametro

Tm

1012 = m

gigametro

Gm

109 = m

megametro

Mm

106 = m

quilômetro

km

103 = m

hectômetro

hm

102 = m

decâmetro

dam

101 = m

metro

m

1=m

decímetro

dm

10–1 = m

centímetro

cm

10–2 = m

milímetro

mm

10–3 = m

micrometro

µm

10–6 = m

nanometro

nm

10–9 = m

picometro

pm

10–12 = m

femtometro

fm

10–15 = m

attometro

am

10–18 = m

Tensão elétrica SUBMÚLTIPLOS/ MÚLTIPLOS

UNIDADE

VALOR

microvolt

µV

10–6 V

milivolt

mV

10–3 V

volt

V

1V

quilovolt

kV

103 V

megavolt

MV

106 V


Ampère SUBMÚLTIPLOS/ MÚLTIPLOS

UNIDADE

VALOR

Picoampère

pA

10–12 A

Nanoampère

ήA

10–9 A

Microampère

µA

10–6 A

Miliampère

mA

10–3 A

Ampère

A

1

Quiloampère

kA

103 A

Mega-ampère

MA

106 A

Potência elétrica SUBMÚLTIPLOS/ MÚLTIPLOS

UNIDADE

VALOR

microwatt

µW

10–6 W

miliwatt

mW

10–3 W

watt

W

1

quilowatt

kW

103 W

megawatt

MW

106 W

Unidades e padrões

Para realizar uma medição é necessário identi�car a existência da unidade, estabelecida por um padrão, segundo uma convenção própria, regional, nacional ou internacional. Estabeleceu-se, em 1960, através do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), um conjunto coerente de unidades: o Sistema Internacional de Unidades (SI), que consta das unidades de base, unidades derivadas e unidades suplementares. O SI de�niu sete grandezas físicas independentes e estabeleceu para cada grandeza um valor unitário, identi�cado através de um padrão.


25

26


Grandezas físicas GRANDEZA FUNDAMENTAL

DEFINIÇÃO

UNIDADE

SÍMBOLO

Comprimento

Metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299792458.

metro

m

Massa

O quilograma é a massa representada pelo protótipo internacional do quilograma, conservado no BIPM, em Sèves, França.

quilograma

kg

Tempo

O segundo é a duração de 9192631770 períodos, da radiação correspondente à transição entre dois níveis hiper�nos do estado fundamental, do átomo de césio 133.

segundo

s

Corrente elétrica

Corrente elétrica invariável que – mantida em dois condutores retilíneos, paralelos, de comprimento in�nito e de área de seção transversal desprezível e situados no vácuo a um metro de distância um do outro – produz entre esses condutores uma força igual a 2 x 10–3 Newton, por metro de comprimento desses condutores.

ampère

A

Temperatura termodinâmica

Fração 1/273, 16 da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da água.

kelvin

K


Intensidade luminosa, numa direção dada, de uma fonte que emite uma radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energética naquela direção é 1/683 watt por esferorradiano.

candela

cd


O mol é a quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares, quantos são os átomos contidos em 0,012 quilograma de carbono.

mol

mol

Unidades derivadas SÍMBOLO

EXPRESSÃO EM UNIDADES DE BASE

GRANDEZA

UNIDADE

Área

metro quadrado

m2

m2

Volume

metro cúbico

m3

kg/m3

Massa especí�ca

quilograma/metro cúbico

kg/m3

kg/m3

Vazão

metro cúbico/segundo

m3/s

m3/s

Velocidade

metro /segundo

m/s

m/s

Concentração de substância mol/metro cúbico

mol/m3

mol/m3

Volume especí�co

metro cúbico/quilograma

m3/kg

m3/kg

Luminância

candela/ metro quadrado

cd/m2

cd/m2


2.4 INSTRUMENTOS DE MEDIDA (MEDIDAS LINEARES)

CALIBRAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIDA Este procedimento se aplica a qualquer instrumento a ser calibrado. Acompanhe os itens que compõem este procedimento: procedimento:

Atividades: Execução nas calibrações Responsabilidade: Metrologista Supervisão: Gerente técnico


Condições ambientais As condições ambientais devem atender ao processo de calibração. Veja quais são elas:

Temperatura

Vibração

Umidade Relativa do Ar

As escalas terão valores reais e mais ou menos um percentual de medição. O laboratório terá que atender às condições:  Uma boa iluminação, ambiente limpo e arejado. interior.. Não poderá haver trânsito de pessoas estranhas em seu interior Os padrões não poderão sair do laboratório. O metrologista deverá ser treinado periodicamente. procedimento o de calibração terá que ser revisado periodicamente. periodicamente. O procediment

Os instrumentos a serem calibrados deverão ser limpos e isentos de graxa.

27

28


MEDIÇÃO Podemos dizer que as medidas resultam de um processo em que as entradas (os fatores metrológicos) são identi�cadas como amostras: método, operador, equipamento, condições condições ambientais em uma medida. Dessa maneira, pode-se entender medida como o produto do processo de medição e, nesse sentido, a sua qualidade é o resultado do processo gerencial. Assim, antes de utilizar uma medida como informação, relevante para qualquer tomada de decisão, é necessário estudar o processo de medição, de modo a conhecer todas as fontes de variação associadas aos fatores metrológicos. A este estudo chamamos metrologia.

Método

Amostra

Medida

Condições Ambientais

Operador

Equipamentos

PROCESSO DE MEDIÇÃO Medir é o procedimento experimental pelo qual o valor momentâneo de uma grandeza física (grandeza a medir – GM) é determinado como o múltiplo ou fração de uma unidade , estabelecida por um padrão, e reconhecida internacionalmente. internacionalmente. A operação de medição (Sistema de Medição – SM) é denominada: porte) Instrumento de medição (pequeno porte) Máquina de medir (em forma de máquina) Medidor de temperatura A medida é obtida pela aplicação dos chamados parâmetros característicos característicos do SM à leitura. Estes parâmetros devem ser de conhecimento do metrologista, antes do início da operação de calibração. Podem ser expressos expressos através de constantes, aditivas, multiplicativas, equações lineares ou não lineares, tabelas ou grá�cos.



s n i t r a M a l e t S / o i l ó F n I

Figura 3 – Paquímetro

SISTEMAS DE MEDIÇÃO Os diversos sistemas de medição revelam a existência de três elementos funcionais bem de�nidos e que se repetem com grande frequência.

Unidade de tratamento de sinal

Transdutor

FIQUE ALERTA

Indicador

Todo trabalho terá que ser feito com a maior segurança. Sem utilizar os EPIs, em caso de acidente você será o maior prejudicado.

GRANDEZA A MEDIR

Transdutor

Unidade de tratamento de sinais

Indicador ou registrador

O transdutor é o módulo de SM que está em contato com a grandeza a medir. O transdutor transforma a grandeza em sinal elétrico proporcional, segundo uma função de transferência, e é denominado de sensor. O sinal gerado no transdutor é enviado, via cabo, para a unidade de tratamento de sinal, que ampli�ca e entrega ao indicador, produzindo uma leitura da unidade. O termômetro termômetro possui os três elementos funcionais. A temperatura a ser medida é absorvida pelo líquido, no interior do bulbo que é o transdutor; o tubo capilar ampli�ca este sinal (transforma a variação volumétrica em uma variação da coluna do �uido). O indicador é formado pela coluna do líquido contra a escala.

Receptor

a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Figura 4 – Termômetro de dilatação de líquidos

29

30


RESOLUÇÃO DA MEDIÇÃO A medida, obtida de SM, é sempre expressa por meio de um número e a unidade de medida. O trabalho de medição não termina com a obtenção da medida. Neste ponto, é que se inicia o trabalho do metrologista. Ele deverá checar a informação denominada resultado da medição. O resultado da medição (RM) expressa o que se pode determinar como sendo o valor da grandeza a medir. Ele é composto de duas parcelas:  O chamado resultado base ( RB), que corresponde ao valor da faixa que deve situar o valor verdadeiro da grandeza medida.  E a incerteza do resultado (IR) que exprime a faixa de dúvida ainda presente no resultado, provocadas por erros presentes no SM, variações da grandeza medir. Assim, o resultado da medição é expresso pela relação RM = RB ± IR unidade

O procedimento de determinação do RM é realizado baseado nos itens a seguir:  Conhecimento aprofundado do processo que de�ne a grandeza a ser medida.  Conhecimento do sistema de medição (características metrológicas e operacionais).  Bom senso.

ERRO DE MEDIÇÃO O erro de medição é caracterizado como a diferença entre o valor efetivamente medido por um SM e o valor verdadeiro desta grandeza.

E = M – VV Onde

E – erro de medição M – medida VV – valor verdadeiro


Na prática, o valor verdadeiro é desconhecido, usamos o valor verdadeiro convencional (vv), como o valor conhecido com erro não superior a um décimo do erro de medição esperado.

E = M – VVC

Onde

VVC = valor verdadeiro convencional

Para eliminar o erro de medição é necessário empregar um SM perfeito sobre a grandeza a medir, perfeitamente de�nida e estável. Na prática, não se consegue um SM estável. Portanto, é impossível eliminar o erro de medição do valor. Contundo, mesmo sabendo da existência do erro de medição, ainda é possível Contundo, obter informações con�áveis con�áveis..

TIPOS DE ERRO Para melhor entender o erro de medição, podemos considerar considerar o erro como algo composto de três parcelas:

Onde

E = Eg + Es + Ea

E = Erro de medição Eg = Erro grosseiro Es = Erro sistemático Ea = Erro eleatório

Erro grosseiro (Eg) – Geralmente, é decorrente do mau uso ou mau funcionamento de SM. Pode ocorrer em função de leitura errônea, operação indevida ou dano do SM. Seu valor é totalmente imprevisível, imprevisível, porém, a sua existência é facilmente detectável. Erro sistemático (Es) – É uma parcela de erro sempre presente nas medições realizadas em idênticas condições de operação. Um indicador com ponteiro torto é um exemplo clássico de erro sistemático, que sempre se repetirá enquanto o ponteiro estiver torto. tor to. Tanto pode ser causado por problema de ajuste ou desgaste do sistema de medição, quanto por fatores construtivos. Pode ainda ser in�uenciado por fatores externos, como as a s condições cond ições ambientais. a mbientais. O erro sistemátic sistemático, o, embora embora se repita repita se a medição for realizada em condições idênticas, geralmente não é constante ao longo de toda faixa em que o SM pode operar.

31

32


VIM

36

Vocabulário Internacional de Metrologia

Erro aleatório – Quando uma medição é repetida diversas vezes, nas mesmas condições observam-se variações nos valores obtidos. Em relação ao valor médio, nota-se que estas variações ocorrem de forma imprevisível, tanto nos valores acima quanto nos que estão abaixo do valor médio. Diversos fatores contribuem para o surgimento do erro aleatório. A existência de folga interna em instrumentos mecânicos, ou problemas nas condições ambientais, podem, por exemplo, contribuir para o aparecimento deste tipo de erro.

A

B

C

D


Figura 5 – Exemplo de erro aleatório

VOCÊ SABIA?

O erro aleatório é o erro encontrado nos instrumentos em virtude de folga no mecanismo.

CONCEITOS DE PROBABILIDADE Existem funções cujo comportamento é perfeitamente previsível. Estas funções são denominadas determinísticas. A função f(x) = 2x – 4 é uma função determinística, desde que seu valor esteja perfeitamente per feitamente caracterizado quando x é de�nido. A função determinística é muito empregada em modelos matemáticos idealizados.


CÁLCULO DE INCERTEZA DE MEDIÇÃO Mensurando – É a grandeza especí�ca submetida à medição.

Pode-se de�nir o mensurando como sendo o objeto que deverá ser medido, a �m de se veri�car a sua conformidade com as especi�cações de projeto ou de qualidade.


RESULTADO DE UMA MEDIÇÃO (RM) Segundo o VIM, o RM é o valor atribuído ao objeto que está sendo medido, valor obtido por medição. Em geral, o RM é somente uma aproximação ou estimativa do valor de uma quantidade especí�ca que pode ser medida. Segundo S egundo INMETRO (2003), este resultado somente estará completo quando ele contiver tanto o valor atribuído ao mensurando, quanto a incerteza de medição associada a este valor. Neste documento, documento, todas as grandezas que não são conheci conhecidas das exatamente são tratadas como variáveis aleatórias, incluindo as grandezas de in�uência que podem afetar o valor medido.

INCERTEZA DE MEDIÇÃO A palavra incerteza, dentro do contexto metrológico, signi�ca dúvida. Assim, de forma ampla, “incerteza “incerteza da medição” signi�ca “dúvida “dúvida sobre o resultado de uma medição”. Incerteza Tipo A (uA)

Incerteza Tipo B (uB)

Incerteza Tipo A (uA) A incerteza do tipo A é a incerteza calculada com base numa distribuição distribuição de probabilidade.. Por adotar fatores estatístic babilidade estatísticos, os, para a determinaç determinação ão deste tipo de incerteza deve-se executar uma série de repetições em iguais condições. Segundo Liska (1997), para bons resultados, o número de repetições deve ser, de, no mínimo, dez, e ainda contar com um mensurando de boa qualidade. Caso essa incerteza seja calculada em condições de calibração, devem ser utilizados padrões de ótima qualidade.

33

34


O procedimento a ser adotado é mostrado a seguir: 1. Executar um número n de medições 2. Calcular o desvio padrão das medições

n

∑ (Xk – X)2

k=1

S=

n–1

Onde: s = Desvio padrão

Xk = Resultado da medição atual X = Média dos resultados n = Número de medições k = Índice da medição atua

3. Calcular a incerteza (conforme utilização). Adotando-se valores individuais (situação mais crítica): u =s

Adotando-se médias dos valores (quando consideramos a média como o resultado das medições):

u=

σ n

Incerteza Tipo B (uB) A incerteza do tipo B é o método de avaliação da incerteza realizado por outros meios que não a análise estatística de uma série de observações. Segue abaixo alguns exemplos de incertezas do tipo B.  Dados de medições anteriores.  Especi�cações de fabricantes.  Experiência na utilização e veri�cação do comportamento do instrumento com tempo.  Dados fornecidos em certi�cados de calibração.


INCERTEZA DECLARADA COM FATOR DE ABRANGÊNCIA K (NÍVEL DE CONFIANÇA) INFORMADO Alguns fabricantes fornecem, através dos manuais ou certi�cados de calibração, um valor de fator de abrangência, que é baseado no nível de con�ança dos resultados fornecidos pelo instrumento, em que:

k = 2: a incerteza declarada foi estimada para um nível de con�ança de 95% k = 3: a incerteza declarada foi estimada para um nível de con�ança de 99,73%

Tanto a incerteza expandida quanto o fator de abrangência são obtidos dos certi�cados de calibração e a partir destes dois valores pode-se determinar o valor da incerteza padrão (incerteza do tipo B), pois basta dividir o resultado da incerteza expandida pelo fator de abrangência.

Tabela de Student NÍVEL DE T DE STUDENT CONFIANÇA �P� 90%

1,64

95%

1,96

99%

2,58

LIMITES DE ERRO ESPECIFICADOS PELO FABRICANTE Em alguns casos o fabricante fornece apenas os limites de erro do equipamento de medição. Nestes casos, adota-se o seguinte procedimento:

Calcular a – que é a média dos limites inferior e superior Calcular a incerteza do tipo B pela expressão

u=

a 3

INCERTEZA GERADA POR EFEITOS SISTEMÁTICOS NÃO COMPENSADOS Em algumas situações práticas os erros sistemáticos não são compensados e a distribuição desses erros não é simétrica, em relação a um ponto de referência. Com isso, o cálculo da incerteza �ca mais difícil. Assim, para simpli�car os cálculos no chão de fábrica, contrariando o rigor matemático, a incerteza de medição pode ser

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36


determinada através de uma distribuição retangular, em que é usada a diferença entre o maior e o menor valor encontrado nas medições como numerador. Desta forma, temos a incerteza de medição determinada como indicada abaixo:

u=

Mi – M j 3

Onde:

Mi é o maior valor encontrado M j é o menor valor encontrado

INCERTEZA DEVIDO À RESOLUÇÃO DE UM INSTRUMENTO ANALÓGICO Nos sistemas com mostradores analógicos a resolução teórica é zero. Entretanto, em função das limitações do operador, da qualidade do dispositivo indicador e da própria necessidade de se realizar leituras mais ou menos criteriosas, a resolução adotada (RA) pode ser:

RA = Valor da divisão (VD), quando o mensurando apresenta �utuações superiores ao próprio VD, ou no caso de tratar-se de uma escala grosseira ou de má qualidade. RA = VD/2, quando se tratar de SM de qualidade regular ou inferior; e/ou o mensurando apresentar �utuações signi�cativas; e/ou quando o erro de indicação direta não for crítico. RA = VD/5, quando se tratar de SM de boa qualidade (traços e ponteiros �nos, etc.) e a medição em questão tiver de ser feita criteriosamente. RA = VD/10, quando o SM for de qualidade, o mensurando estável, a medição for altamente crítica quanto a erros de indicação direta e a incerteza do SM for inferior ao VD.

Considerando o que foi dito no parágrafo anterior, pode-se dizer que ao se utilizar um instrumento de medição analógico, o operador está sujeito ao erro de arredondamento, por conta da resolução adotada para o sistema de medição. Em função disto, durante o processo de medição, é introduzida uma componente adicional de incerteza. Seu efeito é de natureza aleatória e pode ser quanti�cado através dos limites máximos possíveis, segundo uma distribuição retangular. Assim, o máximo erro de arredondamento decorre da resolução adotada (RA) e a incerteza de um instrumento analógico será dada por:

u=

RA 3


INCERTEZA DEVIDO À RESOLUÇÃO DE UM INSTRUMENTO DIGITAL Em alguns casos, devemos utilizar o valor da resolução do instrumento ( R) e calcular a incerteza pela expressão:

u=

R 2 3

Isto é aplicável, por exemplo, quando o instrumento tiver o seu mostrador digital, em que o valor mostrado pode variar devido ao truncamento numérico.

INCERTEZA DEVIDO À INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA Considerando que existem variações de temperatura, mesmo num ambiente controlado, faz-se necessário considerar a parcela de incerteza de medição decorrente. Para este tipo de incerteza, assume-se uma distribuição triangular. Deve-se considerar a máxima variação de temperatura dentro dos limites de especi�cação, ou a máxima variação de temperatura possível entre a peça e o sistema de medição, caso não seja feita a correção. Esta parcela de incerteza é determinada por uma distribuição triangular, calculada conforme a equação abaixo:

Onde:

ΔL LΔT u= = 6 6

ΔL = Variação no comprimento L = Comprimento nominal ou média das medições

 = Coe�ciente de dilatação térmica do material (aço: a = 11,8 μm/ºC) ΔT = Variação da temperatura (variação expressa em ºC no cálculo)

DEFORMAÇÃO DEVIDO À FORÇA DE MEDIÇÃO Mais uma consideração importante para instrumentos dimensionais. A deformação devido à força de medição é apresentada na equação a seguir:

Onde:

u=

ΔL ΔFL = 6 6

ΔL = Variação no comprimento ΔF = Variação máxima na força de medição L = Comprimento medido A = Área da secção transversal E = Módulo de elasticidade do material

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38


Acompanhe a seguir algumas das incertezas de medição tipo B. É evidente que existem outras fontes de incerteza que também podem ser enumeradas. As incertezas demonstradas aqui nem sempre são válidas para todos os casos.

GRAU DE LIBERDADE ( vp) Grau de liberdade corresponde ao número n de observações independentes de uma determinada variável. Entretanto, um grau de liberdade será perdido para cada restrição que existir sobre as n observações. Em geral, consideramos que o grau de liberdade é dado pela expressão: Vp = n – 1

GRAU DE LIBERDADE EFETIVO ( eff) Grau de liberdade efetivo é o valor que estima a combinação dos graus de liberdade (in) associados a cada uma das incertezas padrão, com uma ponderação pelas respectivas incertezas padrão (VIM). Seu cálculo é feito usando-se a fórmula de Welch-Satterwaite.

Veff =

u4c u14 u42 u43 u4i + + + ... + V1 V2 V3 Vi

MENSURANDO VARIÁVEL O mensurando será considerado variável se o seu valor não permanecer constante durante todo o período de estudo ou de interesse no seu valor, ou ainda quando as variações puderem ser percebidas pelo sistema de medição.

MENSURANDO INVARIÁVEL O mensurando será considerado invariável se o seu valor permanecer constante durante todo o período em que houver interesse no seu valor, ou quando as variações não puderem ser percebidas pelo SM. Pode-se dizer também que o mensurando é invariável quando as suas variações forem inferiores à resolução do SM, ou quando não há variações.


INCERTEZA COMBINADA ( ic) A incerteza combinada consiste na soma quadrática das diversas incertezas de medição apresentadas por um instrumento qualquer, ou seja:

uc =

u21 + u22 + u32 + ... + ui2

Este valor não é adotado como real, pois representa uma probabilidade estatística de aproximadamente 68% de se encontrar o erro de medição, e assim não constitui uma boa aproximação. Para determinar a incerteza com nível de con�ança maior, deve-se calcular a incerteza expandida, cujo valor estará dentro de uma con�ança de 95%. O valor da incerteza combinada contempla também as incertezas herdadas dos padrões corrigidos, se necessário, conforme as diretrizes dos certi�cados de calibração correspondentes.

INCERTEZA EXPANDIDA A incerteza expandida (U), é de�nida como sendo a grandeza que de�ne um intervalo em torno do resultado de uma medição, que pode englobar uma grande fração da distribuição de valores que, por sua vez, podem ser razoavelmente atribuídos ao mensurando (VIM). Esta fração pode ser vista como a probabilidade de abrangência ou nível de con�ança do intervalo. Para associar um nível de con�ança ao intervalo de�nido pela incerteza expandida são necessárias suposições explícitas ou implícitas, com respeito à distribuição de probabilidade caracterizada pelo resultado da medição e sua incerteza combinada. O nível de con�ança que pode ser atribuído a este intervalo só pode ser conhecido na medida em que tais suposições possam ser justi�cadas.

Onde:

U = k uc

k é o fator de abrangência para o nível de con�ança desejado.

É muito comum a incerteza expandida ser representada pelo símbolo U e o fator de abrangência pelo símbolo k e, em geral, o nível de con�ança é de 95%. O fator de abrangência k95% equivale ao coe�ciente de Student para dois desvios padrão.

FIQUE ALERTA

O uso de EPI é obrigatório em qualquer tipo de trabalho. Lembre-se de que o maior prejudicado em um acidente pode ser você.

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40


VOCÊ Os conceitos de unidades de medida serão utilizados nas SABIA? práticas de calibração e no ajuste dos instrumentos de medida.

PRINCIPAIS CONSIDERAÇÕES NA AVALIAÇÃO DA IM EM MEDIÇÃO DIRETA Na metrologia dimensional, quando se realizam medições diretas, as principais fontes de incerteza que podem estar presentes durante o processo são: A incerteza da calibração do sistema de medição (IC), que é a incerteza herdada O arredondamento devido à resolução do sistema de medição (IR) A in�uência da diferença de temperatura entre a peça e a escala do sistema de medição (IT) A incerteza do Tipo A (uA) A tendência dos sistemas de medição, que é a in�uência sistemática A in�uência da força de medição Diferença entre o material da peça e o do SM Outras fontes de incerteza podem estar presentes, mas, neste trabalho, o que será considerado é se o sistema de medição está adequado ao uso, se o operador está capacitado para realizar a medição corretamente e se o mensurando não sofre modi�cação indevida pelo sistema de medição. Assim, as fontes de incerteza podem ser identi�cadas e avaliadas de forma consistente e segura.

2.5 NOÇÕES DE NORMAS E LEGISLAÇÃO APLICADA À METROLOGIA No Brasil, essa norma é denominada NBR ISO/IEC 17025, utilizada pelo INMETRO, com credenciamento do laboratório a ser integrado à RBLE – Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaio e a RBC – Rede Brasileira de Calibração. Quanto à incerteza da medição, a expressão da incerteza era considerada um grande obstáculo na harmonização entre os sistemas de medição. O CIPM – Comitê Internacional de Pesos e Medidas – articulou um fórum de especialistas de diversas instituições internacionais (ISO, IEC – International Electrotechnical Commission – BIPM, OIML, IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry,


IUPAP – International Union of Pure and Applied Physics – e IFCC – International Federation of Clinical Chemistry) para produzir um guia que apresentasse os preceitos teóricos e de�nisse uma maneira sistematizada para a expressão da incerteza. Este guia é conhecido como GUM – Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, cuja primeira edição em inglês foi lançada em 1993. O Brasil publicou a segunda edição revisada, em português, em agosto de 1998.

RECAPITULANDO Este capítulo procurou de�nir os modos e os critérios necessários para se calibrar um instrumento (calibrar é confrontar o instrumento com um padrão). Vimos que antes de realizar a calibração precisamos conhecer o sistema de numeração, as conversões de unidades, as noções de normas e a legislação utilizadas pelos laboratórios de calibração. Assim, de�nir a incerteza de medição é como de�nir o erro presente no ensaio feito no instrumento. Os possíveis erros são: erro do metrologista que fez o ensaio, erro do padrão, erro das condições ambientais etc. Antes de fazer o ensaio precisamos conhecer o modo de como se calcula esta incerteza. Para isso, estudamos toda a parte matemática inserida nas fórmulas e tabelas necessárias a esse cálculo.

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Instrumentação básica

3

I N C

Figura 6 – Na plataforma de petróleo, a instrumentação

3.1 BÁSICO DE INSTRUMENTAÇÃO Na indústria de petróleo e gás natural as variáveis mais importantes são a vazão e o nível, pois elas são usadas como variáveis de transferência, ou mesmo como seus medidores, sendo a base para a compra e venda destes produtos. As outras variáveis são medidas para �ns de compensação, mudanças de volume para massa, estabelecimento de condições padrão de transferência e segurança de operação.

Estas variáveis são: Pressão Nível

Vazão

Temperatura

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Os processos exigem controles rígidos, pois vão determinar a qualidade do produto. Os processos industriais podem ser divididos em dois tipos:

Processo contínuo

Processo descontínuo

Em ambos os caso teremos de manter as variáveis de processo em um determinado valor. Este conjunto de instrumentos forma uma malha de processo.

PROTOCOLOS UTILIZADOS NA INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS

PROTOCOLO HART O Protocolo Hart (highway address remote transduce) é um sistema que combina o padrão 4 a 20mA com a comunicação digital, permitindo conectar instrumentos a um computador. Utiliza dois �os com uma taxa de comunicação de 1200 bits/s.

Analógico

Hart

Dados digitais

Hart Interface

4 à 20mA


Figura 7 – Exemplo de rede com tecnologia Hart

VOCÊ SABIA?

O Protocolo Hart, desenvolvido em torno de 1980, pela Rosemount Inc., ele representou a grande revolução na instrumentação destes processos, pois permitiu a tranferência da variável medida para a sala de controle. Inicialmente com proprietário, o protocolo logo passou a ser de uso gratuito. Em 1993, os direitos autorais do protocolo passaram para Hart Communication Foundation (HCF).

3 INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA

PROTOCOLO FIELDBUS Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional usado para interligar instrumentos inteligentes, instalados no campo com os sistemas de controle, geralmente, localizados na sala de controle. Os instrumentos inteligentes podem fornecer informações de diagnóstico e controle, reduzindo a quantidade de instrumentos de uma malha de controle. Este padrão permite a comunicação de múltiplas variáveis entre vários instrumentos, proporcionando uma melhora no desempenho dos processos de produção e automação. Os instrumentos possuem funções avançadas, disponíveis para a melhoria do controle, permitindo a calibração remota (à distância), possibilitando um diagnóstico automático e facilitando a manutenção. O Fieldbus reduz os custos de manutenção, instalação e partida. Os custos da �ação são reduzidos em até 66%, ou mais, pois o Fieldbus permite a instalação de mais de um instrumento no mesmo par de �os. Além disso, podem ser conectados novos instrumentos sem a necessidade de instalação de uma nova �ação. Outra característica importante deste padrão de transmissão é a imunidade a ruídos, pois todos os dados são transmitidos digitalmente, aumentando a precisão dos mesmos. Este conjunto de instrumentos forma uma malha de processo.

Estação de operação

Alarme

Feedback

Estação de manutenção

Dados de diagnóstico

Feedback

Saída a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Figura 8 – Exemplo de rede Fieldbus

3.2 MEDIÇÃO DE PRESSÃO Todos os instrumentos de pressão são empregados nas indústrias Químicas, Farmacêuticas, Petróleo e Gás, entre outras. Pressão é de�nida como a relação de uma força aplicada sobre uma área.

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A variável é a que permite medir a pressão, assim como também se pode medir outras variáveis, tais como: Nível e Vazão.

F P= A

P – Pressão F – Força a unidade Newton (N) A – Área a unidade m2

Newton por metro quadrado é Pascal (Pa), é como se apresenta a unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidade ( SI). Por ser muito pequena, é comum representá-la como o KPa e MPa.

UNIDADES DE PRESSÃO Vamos relacionar e estudar os princípios, as leis e os teoremas da Física utilizados na medição de pressão.

TEOREMA DE BERNOULLI Lei da conservação de energia

P1 +

1 1 ρ.V12 + ρ . g . h1 = P2 + ρ.V22 + ρ . g . h2 = cte 2 2

Quando a velocidade é nula

P1 + ρ . g . h1 = P2 + ρ . g . h2 = cte

TEOREMA DE STEVIN Este teorema foi estabelecido por Stevin. Ele relaciona as pressões estáticas exercidas por um �uído em repouso.

P2 . P1 = ΔP = ( h2 – h1 ) * δ h1

δ = Peso especí�co Relação entre peso e volume de uma determinada. A unidade usual é kgf/m 3.

δ

P1 P2

h2


PRINCÍPIO DE PASCAL A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido estático se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais.

10 kgf

1

F1 A2 = 10cm2

2 h1

F1 = 2cm2

F2

h2 A2 = 10cm2

P1 =

F1 A1

P1 =

F1 A1

P1 = P2 =

F1 F = 2 A1 A2

O Volume deslocado

V1 = A1 x h1

V2 = A2 x h2

A1 x h1 = A2 x h2

P1

P2

h1

δ

h2

Equação manométrica

P1 + ( h1 x δ ) = P2 + ( h2 x δ )

P1 – P2 = δ ( h1 – h2)


A pressão também pode ser de�nida como o somatório da pressão estática e da dinâmica, sendo assim chamada pressão total.

PRESSÃO ESTÁTICA É a pressão medida na parede interna da tubulação por onde passa o �uido. Ela é chamada de estática, porque a velocidade do �uido viscoso que �ui através da parede rugosa da tubulação é zero.

47

48


Pressão dinâmica É a pressão exercida por um �uido em movimento paralelo à sua corrente.

Pd =

N 1 ρ . V2 2 2 m

Pressão total É o somatório da pressão dinâmica e da pressão estática.

TIPOS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO Pressão absoluta É a pressão a partir do vácuo absoluto ou zero absoluto. Pressão atmosférica É a pressão exercida pela camada de ar que envolve a Terra. O instrumento que mede a pressão atmosférica é o Barômetro. Ao nível do mar, quando se mede a pressão, tomando como referência a pressão atmosférica, chamamos esta pressão de pressão relativa. As pressões abaixo dessa referência são chamadas de vácuo ou pressão negativa.

Pressão absoluta = Pressão relativa + Pressão atmosférica

Os instrumentos que medem pressão absoluta vêm com a letra A após a unidade.

MEDIDORES DE PRESSÃO A medição tem por objetivo facilitar a análise e a escolha do tipo mais adequado. Os medidores de pressão, de um modo geral, podem ser divididos em três partes: Elemento receptor É o que recebe o impacto da medição e a transforma em deslocamento ou força. Exemplo: Bourdon fole, diafragma


Elemento de transferência É o que ampli�ca o deslocamento ou transforma um sinal em outro (sinal elétrico e pneumático), que é mandado para a indicação. Exemplo: Link mecânico, relé piloto, ampli�cadores operacionais. Elemento de indicação É o que recebe o sinal e o indica. Exemplo: Ponteiro, display.

MEDIDORES Os manômetros podem ser de dois tipos: Manômetro de coluna de líquido: Tipo tubo U Tipo coluna reta

Manômetro elástico: Tipo Bourdon Tipo Diafragma  Tipo Cápsula

Manômetro de líquidos O manômetro de coluna líquida é constituído de um tubo de vidro, com área seccional uniforme, com uma escala graduada, um líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação. O valor da pressão é obtida pela leitura direta da altura da coluna. A faixa de medição depende do peso especí�co do líquido de enchimento e da fragilidade do tubo de vidro. Normalmente, ao líquido de enchimento é adicionado um corante. A escala é graduada em mmH 2O. A leitura da escala é feita na parte baixa do menisco causada pela tensão super�cial do vidro.

Posição de leitura

Água Figura 9 – Tipo coluna reta


49

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Manômetro tipo coluna em U

P1

O tubo U é um dos medidores de pressão mais simples , é constituído por um tubo U e �xado sobre uma escala graduada.

P2

h

A leitura é feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa pressão, a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como referência o zero da escala.


Como os lados da coluna em U possuem diâmetros diferentes a e A. Observe na �gura ao lado.

Figura 10 – Tipo coluna em U

P1 – P2 = δ (h1 + h2) Como o volume deslocado é o mesmo, teremos:

A x h1 = a x h1 como

h1 =

a x h2 A

A equação será

P1 – P2 =

VOCÊ SABIA?

δ x h2 (1 + a) A

O emprego do mercúrio em instrumentos de medida é proibido, uma vez que ele é nocivo ao ser humano. A legislaçao brasileira proíbe a fabricação, a comercialização, o uso e o armazenamento dos instrumentos de medição que contêm mercúrio, como manômetros e termômetros. As intoxicações por mercúrio mesmo leves podem causar anemia, anorexia, depressão, dermatite, fadiga, dores de cabeça, hipertensão, insônia, torpor, irritabilidade, tremores, fraqueza, problemas de audição e visão. Intoxicações mais graves podem gerar problemas neurológicos sérios, como paralisias cerebrais.


MANÔMETRO TIPO ELÁSTICO Este tipo de instrumento de medição de pressão baseia-se na Lei Hooke sobre elasticidade de materiais. O elemento de recepção de pressão elástico sofre deformação de acordo com a pressão aplicada. Esta deformação é medida por dispositivo mecânico, elétrico ou eletrônico. Essa deformação provoca um deslocamento linear, convertido de forma proporcional a um deslocamento angular, por meio de um mecanismo especí�co.

Manômetro de tubo Bourdon O Bourdon é um tubo de seção oval que poderá estar na forma de C, espiral ou helicoidal, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta.

Tipo Espiral Tipo Helicoidal

Tipo C


Figura 11 – Tipos de Bourdon

Observe alguns materiais utilizados na confecção do Bourdon: Latão

Cobre

Alumibras

Berílio

Aço inox

Liga de aço

Bronze fosforoso O manômetro é utilizado na faixa de 25% e 75%, que é a faixa precisa do manômetro.

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Classi�cação do manômetro quanto a precisão CLASSE

TOLERÂNCIA

PRECISÃO

RESTANTE DA FAIXA

A

± 1,0%

25% e 75%

± 2,0%

B

± 2,0%

25% e 75%

± 3,0%

C

± 3,0%

25% e 75%

± 4,0%

D

± 4,0%

25% e 75%

± 5,0%

A4

± 0,10%

–

–

A3

± 0,25%

–

–

A2

± 0,50%

–

–

A1

± 1,0%

–

–

Os manômetros classe A, B, C e D são manômetros industriais e os manômetros classe A1, A2, A3 e A4 são manômetros de precisão usados como padrão para calibrar outros manômetros. Bourdon C O tubo Bourdon que é curvo e �exível, ligado a um acoplamento de ponteiro, quando o �uido penetra no bourdon, o tubo se reti�ca, diminuindo sua curvatura.

Tubo de Bourdon Escala Coroa/Pinhão Ponteiro

Pressão medida


Figura 12 – Manômetro C

Manômetro diferencial Os manômetros são os que utilizam dois Bourdon e com um único mecanismo medem a diferença entre as pressões. O resultado é a diferença das pressões aplicadas.


Manômetro de fole O fole consiste em uma câmara metálica, corrugada, que se deforma ao se aplicar uma pressão. O fole é utilizado em médias pressões.


Figura 13 – Manômetro de fole

Manômetros de diafragma O diafragma é constituído por um disco de material elástico, �xado pela borda. Uma haste �xada 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. O diafragma, geralmente, é ondulado ou corrugado para aumentar a sua área efetiva à pressão.

Ponteiro Pinhão Setor Link


Diafragma elástico

Figura 14– Manômetro de diafragma

s n i t r a M a l e t S / o i l ó F n I

53

54


Os diafragmas podem ser de materiais metálicos ou não metálicos: Metálicos Estes diafragmas são feitos de uma chapa metálica, lisa ou enrugada, ligadas a um ponteiro por meio de uma haste. O movimento de de�exão do diafragma, causado pela pressão, posiciona um ponteiro indicador ao longo de uma escala de graduação constante. São fabricados de bronze fosforoso, cobre, berílio, latão, aço inoxidável e monel. Não metálicos São fabricados em couro, te�on, neoprene e polietileno. São empregados para pressões baixas. Geralmente, uma mola opõe-se ao movimento do diafragma, cuja de�exão é diretamente proporcional à pressão aplicada.

FIQUE ALERTA

Não use ferramenta defeituosa. Ela poderá causar um acidente.

ACESSÓRIOS DO MANÔMETRO Os acessórios usados nos manômetro são: Contato elétrico Selo Sifão Amortecedor de pulsação

J R I A N E S

Figura 15 – Manômetro com contato elétrico


Manômetro de selo O sistema de selagem é uma técnica muito utilizada na indústria para isolar o �uido de processo do contato direto com o instrumento de medição. Em muitos casos, é necessário isolar o �uido de processo, que pode ser quente, sólido em suspensão, corrosivo ou com possibilidade de cristalização. Sifão Na medição de qualquer variável em linhas de vapor, geralmente, é utilizado um tubo sifão Figura 16 – Manômetro de selo para proteger o elemento de medição da alta temperatura. O condensado �ca acumulado no tubo sifão, impedindo que o vapor entre em contato com o elemento de medição. Con�ra, a seguir, alguns tipos de tubo sifão utilizados na indústria.

Tipo rabo de porco

Tipo cachimbo

Tipo bobina

Figura 17 – Tipos de sifão

Amortecedor de pulsação É usado quando o elemento for submetido à pressões pulsantes. Ele deve ser protegido por um amortecedor de pulsação. Esse amortecedor pode ser uma válvula agulha, que serve como bloqueio, possibilitando a retirada do instrumento sem parar o processo.

o h l e o C o t n i P s e r a o S o n a i r a M é s o J


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TRANSMISSORES ELETRÔNICOS DE PRESSÃO Esse transmissores são sucessores dos pneumáticos. Possuem elementos de detecção similares ao pneumático, porém, utilizam elementos de transferência que convertem sinal de pressão, detectado em sinal elétrico, padronizado de 4 a 20mA DC. Existem vários princípios físicos relacionados às variações de pressão que podem ser usadas como elemento de transferência. Os transmissores são empregados para a medição de pressão em re�narias e plataforma de petróleo.

FITA EXTENSIOMÉTRICA (STRAIN GAUGE)

Fio solidário à base

L x número de voltas

Lâmina de base

Fio solidário à base

Ponto de aplicação da força

F

Lâmina de base (flexível) a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Figura 18 – Fitas extensiométricas

Dispositivo que mede a deformação elástica sofrida pelos sólidos, quando estes são submetidos ao esforço de tração ou compressão. Na realidade, são �tas metálicas �xadas adequadamente nas faces de um corpo a ser submetido ao esforço de tração, ou compressão, e que têm sua seção transversal e seu comprimento alterado em virtude desse esforço imposto ao corpo. Estas �tas são interligadas a uma ponte de Wheatstone, ajustada e balanceada para a condição inicial, e que ao ter os valores de resistência da �ta alterados com a pressão, sofrem o desbalanceamento proporcional à variação desta pressão.


Na confecção destas �tas são utilizados metais que possuem baixo coe�ciente de temperatura, a �m de que exista uma relação linear entre resistência e tensão numa faixa mais ampla.

Metais utilizados na confecção da �ta DENOMINAÇÃO

LIGA

FAIXA DE TEMPERATURA

Constantan

Cobre-níquel

+10 -204ºC

Karma

Cobre-níquel aditivado

Até 427ºC

479 Pt

Platina-tugstênio

Até 649ºC

Nichome V

Níquel-cromo

Até 649ºC

SENSOR PIEZOELÉTRICO A medição de pressão que utiliza este tipo de sensor baseia-se no fato de os cristais assimétricos, submetidos a uma deformação elástica ao longo do seu eixo axial, produzirem internamente um potencial elétrico, causando um �uxo de carga elétrica no circuito externo. A quantidade elétrica produzida é proporcional à pressão aplicada. Essa relação linear facilita a sua utilização. Outro fator importante para a sua utilização está no fato de se utilizar o efeito piezoelétrico de semicondutores, reduzindo assim o peso do transmissor, sem perdas de precisão. Cristais de Turmalina, Cerâmica Policristalina Sintética, Quartzo e Quartzo Cultivado podem ser utilizados na fabricação dos sensores piezoelétricos. O Quartzo Cultivado é o mais empregado por apresentar características ideais de elasticidade e linearidade.

Pressão

Diafragma

Líquido de enchimento

Cristal

Amplificador

Figura 19 – Sensor Piezoelétrico


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SENSOR CAPACITIVO

Diafragma sensor Diafragma isolador Fluido de enchimento Cerâmica Superfície metalizada Vidro Aço

Processo

Processo


Figura 20 – Sensor Capacitivo

No sensor capacitivo há dois diafragmas de medição que se movem entre dois diafragmas �xos. Para que ocorra a medição, o circuito eletrônico é alimentado por um sinal AC através de um oscilador, que modula a frequência ou a amplitude do sinal, em função da variação do sinal de pressão. Como líquido de enchimento, podemos usar a glicerina ou o �úor-oil.

CASOS E RELATOS

Um transmissor de pressão apresentou erro de transmissão do sinal. O display do instrumento apresentava um valor e o sinal transmitido, outro valor. Após solicitar a PT para a retirada do instrumento da área, o referido instrumento foi levado para a o�cina de manutenção, pensava-se que o defeito de transmissão fosse um ajuste no sinal de intensidade de corrente do sinal transmitido. O instrumento foi desmontado, foram limpas as câmaras de alta e baixa pressão. Depois de montado e feita a calibração para ajustar a intensidade de corrente, não se obteve êxito no ajuste necessário. O fato apresentado foi relatado no DDS (Diálogo Diário de Segurança), para que todos tomassem conhecimento. O transmissor foi novamente desmontado e todos os componentes testados, ocasião em que foi constatado que o �ltro de fonte apresentava baixa de isolação, o que produzia erro na transmissão do sinal. O �ltro foi substituído e o instrumento foi colocado para operar na área.


CHAVE DE PRESSÃO (PRESSOSTATO) Estas chaves são utilizadas como componentes de sistemas de proteção de equipamentos ou processos. O pressostato é acionado segundo um set point de�nido pelo processo, o tempo entre a atuação e o desarme pode ser por diferencial �xo ou diferencial ajustável. Os pressostatos são utilizados em intertravamento de bombas e vasos. Os contados são NA e NF, o microinterruptor pode ser selecionado como SPDP, com um contato comum, e um NA e NF, DPDT, que é composto por dois interruptores com dois comuns, dois NA e dois NF. O pressostato a ser usado: diafragma, pistão ou bourdon C.

INSTRUMENTOS CONVERSORES DE SINAIS Os instrumentos conversores de sinais podem ser do tipo corrente/pressão, tensão/pressão. Esse instrumento converte um sinal de corrente (4 a 20 mA DC), ou tensão (1 a 5 VDC), em um sinal de pressão (3 a 15 PSI). Estes são usados na abertura ou fechamento de válvulas de processo.

3.3 TEMPERATURA Os sensores de temperatura são utilizados nas indústrias química, petróleo e gás, dentre outras. A temperatura pode ser de�nida como uma representação numérica, para o estado de agitação das partículas que formam os corpos. Quanto mais agitadas as partículas, maior a temperatura. O conceito popular de temperatura é estabelecido em quente ou frio, mas as sensações de temperatura podem variar muito de pessoa para pessoa. Algo quente para uma pessoa, pode ser frio para a outra. A temperatura é uma das sete grandezas do Sistema Internacional de Medidas (SI), ao lado de massa, dimensão, tempo, corrente elétrica, intensidade luminosa e quantidade de substância. Junto com a pressão, vazão e nível, a temperatura é uma das principais variáveis de processo. Sua medição e controle são de vital importância, haja vista que abrange variações físicas e químicas de substâncias.

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A temperatura é o que quanti�ca a quantidade de calor. Calor não é temperatura, calor é uma forma de energia expressa em Joule e medida pela temperatura em Celsius. A temperatura expressa o grau de calor de um corpo. Corpos com temperaturas iguais podem não ter a mesma quantidades de calor. O calor é uma forma de energia térmica ou termal. Quanto maior a agitação, maior será a quantidade de energia.

ΔQ = m x c x Δt Onde: ΔQ = Variação na quantidade de calor m = Massa da substância envolvida c = Calor especí�co (característicos das substância) Δt = Variação de temperatura

A unidade de temperatura é o Celsius ºC, mas na indústria também é comum a escala Fahrenheit ºF. Outra unidade de temperatura é a escala Kelvin que corresponde a 273,15ºC.

CONVERSÃO DE ESCALA Acompanhe um método de conversão da escala Celsius e Fahrenheit. ºC ºF – 32 = 3 9

Temperatura das escalas absolutas e relativas TEMPERATURAS

ESCALAS AB SOLUTAS

ESCALAS RELATIVA

R

K

ºC

ºF

Ponto de ebulição da água

671,67

373,15

100

212

Ponto de fusão do gelo

491,67

273,15

0

32

0

0

–273,15

–459,67

Zero absoluto

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA Para melhor expressar as leis da termodinâmica foi criada uma escala baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão.


São os chamados pontos �xos de temperatura. Chama-se esta escala de IPTS – Escala Prática Internacional de Temperatura. A primeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modi�cada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modi�cações foram feitas e, em 1968, uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68). A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado. Os pontos �xos utilizados pela IPTS-68 são apresentados na tabela abaixo:

Escala prática internacional de temperatura

ESTADO DE EQUILÍBRIO

TEMPERATURA ºC

Ponto triplo do hidrogênio

–259,34

Ponto de ebulição do hidrogênio

–252,87

Ponto de ebulição do neônio

–246,048

Ponto triplo do oxigênio

–218,789

Ponto de ebulição do oxigênio

–182,962

Ponto triplo da água

0,01

Ponto de ebulição da água

100,00

Ponto de solidi�cação do zinco

419,58

Ponto de solidi�cação da prata

916,93

Ponto de solidi�cação do ouro

1.064,43

VOCÊ SABIA?

O sensor de temperatura do tipo termoresistência é utilizado em medições de baixa temperatura.

Ponto triplo é o ponto em que as fases sólida, líquida e gasosa encontram-se em equilíbrio. Pressão Linhas de fusão

Fase líquida

Linha de vaporização

Fase vapor Fase sólida

Ponto triplo

Temperatura Figura 21 – Temperatura x pressão

Linha de sublimação


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A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de –259,34 a 1.064,34°C. É baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como, por exemplo, o ponto de fusão de alguns metais puros. Hoje, já existe a ITS-90 – Escala Internacional de Temperatura – de�nida em pontos �xos de temperatura.

Escala internacional de prática de temperatura PONTOS FIXOS

IPTS� 68

ITS� 90

Ebulição do oxigênio

–182,962ºC

–182,954ºC

Ponto triplo da água

+0,01ºC

+0,01ºC

Solidi�cação do estanho

+231,968ºC

+231,928ºC

Solidi�cação do zinco

+419,580ºC

+419,527ºC

Solidi�cação da prata

+961,930ºC

+961,780ºC

+1.064,430ºC

+1.064,180°C

Solidi�cação ouro

Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As normas internacionais mais importantes são:

ISO

DIN

JIS

Americana

Alemã

Japonesa

BS

UNI

Inglesa

Italiana

Para atender às diferentes especi�cações técnicas na área da termometria, cada vez mais, somam-se esforços com o objetivo de uni�car essas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica – IEC vem desenvolvendo um trabalho junto aos países envolvidos nesse processo normativo, não somente para obter normas mais completas e aperfeiçoadas, mas também para prover meios para a internacionalização do mercado de instrumentação relativo aos termopares.

o i l ó F n I

Figura 22 – Exemplo de norma da ABNT

Como um dos participantes dessa comissão, o Brasil, por meio da Associação Brasileira de Normas Técnicas-ABNT, está também diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especi�cações, como as Normas Técnicas Brasileiras.


MEDIDORES DE TEMPERATURA POR DILATAÇÃO/EXPANSÃO Termômetro de dilatação de líquido O termômetro de vidro, normalmente, é usado em laboratório. Em processos industriais utilizamos o termômetro de capela, um termômetro que tem a proteção de uma capela metálica, enroscada na linha de processo, com medição local. O líquido de enchimento é o mercúrio empregado na indústria de petróleo.

Escala

Coluna líquida (Indicação)

Bulbo a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Figura 23 – Termômetro de capela

Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO ºC

LÍQUIDO

PONTO DE EBULIÇÃO ºC

FAIXA DE USO ºC

Mercúrio

– 39

+ 357

– 38 a 550

Álcool Etílico

– 115

+ 78

– 100 a 70

Tolueno

– 92

+ 110

– 80 a 100

FIQUE ALERTA

Ao retirar o sensor de temperatura do poço termométrico use luva de vaqueta por causa da temperatura do processo.

No termômetro de mercúrio pode-se elevar o limite máximo até 550°C, por meio da injeção de gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio. Por ser frágil, é impossível registrar a sua indicação ou transmiti-la à distância. O uso desse termômetro com proteção metálica é mais comum em laboratórios ou em indústrias.

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Ponteiro Sensor volumétrico Braço de ligação

100

240

90 100

220 90

80

Setor dentado

200 80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

180

160

140

120

Capilar

100

80

60 20

10

40

10

0

0 0

-10

-20

-30

Bulbo Líquido (mercúrio, álcool etílico)


Figura 24 – Termômetros de dilatação

Termômetro de líquido com capilar metálico Este termômetro consta de um bulbo de metal ligados a um capilar metálico e a um sensor, o líquido preenche todo o instrumento. A variação da temperatura deforma elasticamente o sensor. Tipos de líquidos de enchimento Como líquido de enchimento empregam-se o Mercúrio, o Xileno e Tolueno, porém, eles têm alto coe�ciente de expansão.

Tabela de líquidos de enchimento de termômetros LÍQUIDO Mercúrio

FAIXA DE UTILIZAÇÃO �ºC� – 35 a 550

Xileno

– 40 a + 400

Tolueno

– 80 a +100

Termômetro bimetálico A liga do sensor bimetálico é composta de Invar (64% de Ferro –36% de níquel) e latão que são ligas metálicas com índice de dilatação diferente. A liga com maior índice de dilatação é montada na parte superior, o que faz o sensor se curvar para o lado de menor coe�ciente de dilatação. Estes termômetros são utilizados na faixa de –50ºC a +500ºC, eles também são encontrados na escala Fahrenheit (ºF). O termomêtro bimetálico pode ser usado como chave para controle, do tipo ONOFF, em ferro de passar roupa e sanduicheira.



Figura 25 – Termômetro bimetálico

VOCÊ SABIA?

O termopar gera milivolte, que é convertido em valor de temperatura no indicador.

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os �os são fundidos em sua extremidade, com o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos �os é levada ao instrumento de medição de força eletromotriz (f.e.m.), fechando um circuito elétrico por onde �ui a corrente. O ponto no qual os �os que formam o termopar conectam-se ao instrumento de medição é chamado junta ou referência.

Bloco de ligação Junta de medida

Cabo de extensão

Termopar

Junta de referência

Instrumento indicador ou controlador

Gradiente de temperatura Figura 26 – Termopar com indicador

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura.


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Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente como na �gura anterior. O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura (DT), existente entre as juntas quentes e frias, será (de modo geral) indicado, registrado ou transmitido.

VOCÊ SABIA?

O termopar do tipo S foi construído por Le Chatelier, no final do século XIX, e até hoje é utilizado como padrão na indústria.

EFEITO TERMOELÉTRICO É formado por dois condutores diferentes A e B. Quando dois metais ou semicondutores similares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, nesse caso, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente:

Efeito Seebeck Efeito Peltier Efeito Thomson Efeito Volta


A aplicação cientí�ca e tecnológica dos efeitos termoelétricos é muito importante e a sua utilização, no futuro, é cada vez mais promissora. Os estudos das propriedades termoelétricas dos semicondutores e dos metais levam, na prática, à aplicação dos processos de medições na geração elétrica (bateria solar) e na produção de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoelétricos é uma das importantes aplicações do Efeito Seebeck. Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do Efeito Peltier em grande escala, para a obtenção de calor ou frio no processo de climatização ambiente.

Efeito termoelétrico de Seebeck O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto, em 1821, por T.J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado, ocorre uma circulação de corrente, enquanto existir uma diferença de temperatura (DT) entre as suas junções. Denominamos: junta de medição de ( Tm) e, a outra, junta de referência de (Tr). A existência de uma f.e.m. térmica AB, no circuito, é conhecida como Efeito Seebeck. Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, veri�ca-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura (Tm) da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro.


A (+)

Tm

Tr B (–)


Figura 27 – Efeito Seebeck

O Efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para o outro e dependem da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções – e estas são mantidas com diferentes temperaturas – a difusão dos elétrons, nas junções, produz-se a ritmos diferentes.

Efeito termoelétrico de Peltier Em 1834, Peltier descobriu que com um par termoelétrico, com ambas as junções na mesma temperatura, e, mediante uma bateria exterior, seria possível produzir uma corrente no termopar, nesse caso, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variação adicional de temperatura é o Efeito Peltier. Este efeito é produzido tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior, quanto pelo próprio par termoelétrico. A (+)

T –  T

T +  T B (–)


Figura 28 – Efeito Peltier

O coe�ciente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção. O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém, em sentido oposto.

Efeito termoelétrico de Thomson Em 1854, Thomson concluiu, por meio das Leis da Termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos �os metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada �o. O Efeito Thomson depende do metal de que é feito o �o e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais, há absorção de calor quando uma corrente elétrica �ui, da parte fria para a parte quente do metal; e há geração

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de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica �ui da parte quente para a parte fria do metal. Conclui-se que, com a circulação de corrente, ao longo de um �o condutor, a distribuição de temperatura neste condutor será modi�cada, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo Efeito Thomson.

Efeito termoelétrico de Volta A experiência de Peltier pode ser explicada por meio do Efeito Volta, cujo enunciado é:

Quando dois metais estão em contato em equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts.

Essa diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente.

Lei termoelétrica Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se, por meio da aplicação dos princípios da termodinâmica, à enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica, nas medições de temperatura com termopares. Portanto, com estes sensores fundamentados nesses efeitos e nessas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura.

Lei do circuito homogêneo

A força de eletromotriz (f.e.m.) termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos �os.

Em outras palavras, a f.e.m. medida depende, única e exclusivamente, da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções.


A (+)

T1

f.e.m. = E

T3 T2

T1

B (–)

A (+)

f.e.m. = E B (–)

T2 T4


Figura 29 – Lei dos circuitos monogêneo

Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura, em um ponto qualquer, ao longo dos �os dos termopares. Esta variação não in�uirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas. Portanto, podem-se fazer medidas de temperatura em pontos bem de�nidos com os termopares. O importante é a diferença de temperatura entre as juntas.

Lei dos metais intermediários

A soma algébrica das f.e.m. termais – em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes – é zero se todo o circuito estiver à mesma temperatura.

Deduz-se daí que, em um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada, ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas à temperaturas iguais. A (+)

T1

f.e.m. = E B (–)

A (+)

T2

T1

f.e.m. = E B (–)

T4 T2


Figura 30 – Leis dos metais i ntermediários

TIPOS E CARACTERÍSTICAS DOS TERMOPARES Existem várias combinações de dois metais condutores operando como termopares. As combinações dos �os devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m. Devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura, que possa ser detectada pelos equipamentos normais de medição. Diversas combinações de pares de ligas metálicas foram desenvolvidas, desde as mais corriqueiras, de uso industrial, até as mais so�sticadas, para o uso especial

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ou restrito a laboratório. Essas combinações foram feitas de modo a se obter uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características como homogeneidade dos �os e resistência à corrosão, na faixa de utilização. Assim, cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho, que deve ser respeitada, para que este tenha uma maior vida útil. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

Termopares básicos

Termopares nobres

Termopares especiais

Termopares básicos São os termopares de maior uso industrial, cujos �os são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. Tipo T

Tipo J

Nomenclaturas

Nomenclaturas

T – Adotado pela Norma ANSI CC – Adotado pela Norma JIS Cu-Co – Cobre – Constantan Liga – (+) Cobre (99,9%) Constantan – São as ligas de CuNi compreendidos no intervalo entre Cu (50%) e Cu (65%) Ni (35%). A composição mais utilizada para este tipo de termopar é de Cu (58%) e Ni (42%).

J – Adotado pela Norma ANSI IC –adotado pela Norma JIS Fe-Co – Ferro – Constantan Liga – (+) Ferro- (99,5%) Constantan – Cu (58%) e Ni (42%), normalmente se produz o ferro, a partir de sua característica casa-se o Constantan adequado.

Características

Faixa de utilização: 0°C a 760°C f.e.m. produzida: 0,0mV a 42,919mV

Características

Faixa de utilização: –200°C a 370°C f.e.m. produzida: –5,603mV a 19,030mV

Aplicações Criometria (baixas temperaturas), indústrias de refrigeração, pesquisas agronômicas e ambientais, química e petroquímica.

Aplicações a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Centrais de energia, metalúrgica, química, petroquímica, industriais em geral.

Tipo E

Tipo K

Nomenclaturas

Nomenclaturas

E – Adotado pela Norma ANSI CE – Adotado pela Norma JIS NiCr-CO Liga – (+) Chromel-Ni(90%) e Cr (10%) (–) Constantan-Cu (58%)e Ni (42%)

K – Adotada pela Norma ANSI CA – Adotado pela Norma JIS Liga – (+) Chromel–Ni(90%) e Cr (10%) (–) Alumel–Ni (95,4%), Mn (1,8%), Si (1,6%), Al (1,2%)

Características

Características

Faixa de utilização: 0°C a 870°C f.e.m. produzida: 0mV a 66,473mV

Faixa de utilização: 0°C a 1.260°C f.e.m. produzida: 0mV a 50,990mV

Aplicações Química e petroquímica


Aplicações Metalúrgica, siderúrgica, fundição, usina de cimento e cal, vidros, cerâmica, indústrias em geral.




Termopares nobres São aqueles cujos pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos �os dos termopares. Acompanhe os Tipo S, Tipo R e Tipo B nos quadros a seguir.


Tipo S Nomenclaturas

Os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial. Porém, apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender às condições de processo em que os termopares básicos não podem ser utilizados.

S – Adotado pela Norma ANSI Pt Rh 10% – PT 100%

Características Faixa de utilização: 0°C a 1.480°C f.e.m. produzida: 0mV a 15,341mV

Aplicações Siderúrgicas, fundição, usina de cimento, cerâmica, vidro e pesquisa cientí�ca. O Tipo S é utilizado em sensores descartáveis na faixa de 1.200°C a 1.768°C, para medição de metais líquidos em siderúrgicas e fundições.


Tipo R R – Adotado pela Norma ANSI Pt Rh 13% – PT 100%

As mesmas do Tipo S.


Tipo B B – Adotado pela Norma ANSI Pt Rh 30% – Pt Rh 6%

Vidro, siderúrgica, altas temperaturas em geral.

São utilizados em substituição ao Tipo B que requer temperaturas um pouco mais elevadas. Podem ser usados continuamente até 1.600°C e por curto período até 1.800°C ou 1.850°C.

São desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas.

Características

Aplicações

Platina 40% Rhodio/Platina – 20% Rhodio

Ouro Ferro/Chromel

Nomenclaturas

Faixa de utilização: 870°C a 1.700°C f.e.m. produzida: 3,708mV a 12,433mV

Podem ser usados continuamente até 2.300°C e por curto período até 2.750°C.

Podem ser utilizados por períodos limitados até 2.000°C.

Características

Aplicações

Tungstênio Rhênio

Irídio 40% Rhodio/Irídio

Nomenclaturas

Faixa de utilização: 0°C a 1.480°C f.e.m. produzida: 0mV a 17,169mV


Nicrosil/Nisil a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Basicamente, este novo par termoelétrico é um substituto para o par Tipo K, apresentando uma força eletromotriz um pouco menor em relação a este último.


71

72


CORREÇÃO DA JUNTA DE REFERÊNCIA As tabelas existentes da f.e.m., geradas em função da temperatura para os termopares, têm �xada a junta de referência a 0°C (ponto de solidi�cação da água), porém, nas aplicações práticas dos termopares, a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e se encontra à temperatura ambiente, normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo, tornando, assim, necessário que se faça uma correção da junta, de forma automática ou manual. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente. É um dos métodos utilizados na medição da temperatura, nos terminais do instrumento, por meio de circuito eletrônico, que adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, com uma milivoltagem correspondente à diferença de temperatura de 0°C, à temperatura ambiente. Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é �xa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor �xo, o instrumento indicará a temperatura com um erro, que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor �xo.

A (+)

T2

A (+)

E1 = 10,00

24ºC

B (–)

E2 = 0,00 B (–)

0ºC


Figura 31 – Juntas de referência

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então, para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável.

FIOS DE COMPENSAÇÃO E EXTENSÃO Na maioria das aplicações industriais para medição da temperatura, por meio de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condições, é necessário que o instrumento seja ligado ao termopar, por �os que possuam uma curva de força eletromotriz, em função da temperatura similar àquela do termopar, a �m de que, no instrumento, possa ser efetuada a correção da referida junta.


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De�nições 1. Convencionou-se chamar de �os, os condutores constituídos por um eixo sólido e de cabos formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor �exível. 2. Chamam-se �os ou cabos de extensão os fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX.

3. Fios ou cabos de compensação que são fabricados com ligas diferentes das ligas dos termopares a que se destinam, e que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz, em função da temperatura equivalente a desses termopares. Exemplo: Tipo SX e BX.

Os �os e cabos de extensão e compensação são recomendados, na maioria dos casos, para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200°C.


Tabela de codi�cação de cores de �o e cabos de extensão/compensação NORMAS TÉCNICAS TERMOPAR CABO

ANSI CAPA

+

DIN 

BS

JIS

CAPA

+



CAPA

+



CAPA

+



–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

B

Compensação

Cinza

Cinza

Vermelho

E

Extensão

Roxo

Roxo

Vermelho

J

Extensão

Preto

Branco

Vermelho Azul

K

Extensão

Amarelo

Amarelo

R

Compensação

Verde

S

Compensação

T

Extensão

Azul

Marron

Azul

Roxo

Roxo

Vermelho

Vermelho Azul

Preto

Amarelo

Azul

Amarelo

Vermelho Branco

Vermelho Verde

Vermelho Verde

Vermelho Marron

Azul

Azul

Vermelho Branco

Preto

Vermelho Branco

Vermelho Branco

Verde

Branco

Azul

Preto

Vermelho Branco

Verde

Preto

Vermelho Branco

Vermelho Branco

Verde

Branco

Azul

Preto

Vermelho Branco

Azul

Azul

Vermelho Marron

Vermelho Marron

Azul

Branco

Azul

Marron

Vermelho Branco

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ERROS DE LIGAÇÃO Na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento �quem relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura. Nesta circunstância, deve-se processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, por meio de �os, de extensão, ou �os de compensação. Este procedimento é executado sem problema, desde que o cabeçote, onde estão os terminais do termopar e o registrador, esteja com a mesma temperatura de medição.

TERMOPAR DE ISOLAÇÃO MINERAL O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa, metálica. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico �cam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, consequentemente, a durabilidade do termopar depende da resistência à corrosão da sua bainha, e não da resistência à corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é um fator importante na especi�cação destes.

Pó de óxido de magnésio Bainha

Junta de medida

Figura 32 – Vantagens dos termopares de isolação mineral

ESTABILIDADE DA FORÇA ELETROMOTRIZ É caracterizada em função de os condutores estarem completamente protegidos contra a ação de gases e contra condições ambientais, que normalmente causam oxidação e com perda da f.e.m. gerada.



1. Resistência mecânica O pó, muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém os condutores uniformemente posicionados. Isto permite que o cabo seja dobrado, achatado, torcido, estirado, suporte pressões extremas e choque térmico, sem qualquer perda das propriedades termoelétricas. 2. Dimensão reduzida O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação mineral, com bainhas de diâmetro extremo, até 1,0mm, o que permite a medida de temperatura em locais que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais. 3. Impermeabilidade a água, óleo e gás A bainha metálica assegura a impermeabilidade do termopar à água, óleo e gás. 4. Facilidade de instalação A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, ao longo comprimento e a grande resistência mecânica asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações mais difíceis. 5. Adaptabilidade A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica, podem ser montados acessórios, por soldagem ou brasagem e, quando necessário, sua seção pode (em sua con�guração) ser reduzida ou alterada. 6. Resposta mais rápida A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de magnésio proporcionam ao sensor de isolação mineral um tempo de resposta que é, virtualmente, igual ao de um termopar descoberto da dimensão equivalente. 7. Resistência à corrosão As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente corrosivo. 8. Resistência de isolação elevada O termopar de isolação mineral tem uma resistência de isolação elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais úmidas. 9. Blindagem eletrostática A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada, oferece uma perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico.

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ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das mV individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizado em pirômetros de radiação total, ou seja, para a soma de pequenas mV. O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se compensar, deverá compensar uma mV correspondente ao número de termopares aplicados na associação.

mV

+

+

–

–

25ºC

+

2,27mV


–

2,022mV

Figura 33 – Associação de termopares em série

ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE OPOSTA Para medir a diferença de temperatura entre dois pontos, ligamos os termopares em série oposta. O que mede a maior temperatura é ligado ao pólo positivo do instrumento. Os termopares sempre são do mesmo tipo.

mV

+

+

– 2,27mV

–

+

– 2,022mV

Figura 34 – Associação em série oposta



ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Ligando dois ou mais termopares, em paralelo, a um mesmo instrumento, teremos a média das mV geradas nos diversos termopares, se as resistências internas forem iguais. T0 A (+ )

T2

E=

A (+ )

EAB (T 1 – T0 ) + EAB (T 1 – T0 )

T2

2 B (– )


B (– ) T0

Figura 35 – Esquema da associação em paralelo

MEDIÇÃO DE TEMPERATURA POR TERMORRESISTÊNCIA Os métodos de utilização de resistência para medição de temperatura iniciaram-se em torno de 1835, com Faraday, porém, só houve condições de serem elaboradas, para utilização em processos industriais, a partir de 1925. Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, de resistência à contaminação e de baixo índice de desvio pelo envelhecimento do tempo de uso. Devido a esta característica, esse sensor de padrão internacional para a medição de temperatura foi estabelecido na faixa de –270°C a 660°C, em seu modelo de laboratório.

As termoresistências podem ser:

Pt100 – Tem como característica que a 0ºC tem uma resistência de 100Ω Pt10 – Tem como característica que a 0ºC tem uma resistência de 10 Ω Pt500 – Tem como característica que a 0ºC tem uma resistência de 500 Ω Pt1000 – Tem como característica que a 0ºC tem uma resistência de 1000 Ω Os sensores Pt100 e Pt1000 são utilizados também em química analítica na compensação, sendo o Pt1000 mais sensível que o Pt100.


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PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência, em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou níquel. Estes metais apresentam as seguintes características:

1. Alta resistividade, que melhora a sensibilidade do sensor. 2. Alto coe�ciente de variação de resistência com a temperatura. 3. Rigidez e ductilidade para ser transformado em �os �nos. A equação que rege o fenômeno é a seguinte: Onde:

Para faixa de -200°C a 0°C:

R1 = Resistência na temperatura t (Ω)

R1 = R0 x [1 + A x t + B x t2 + C x t3 x (t-100)]

R0 = Resistência a 0°C (Ω) t = Temperatura (°C)

Para faixa de 0°C a 850°C:

R1 = R0 x [1 + A x t + B x t2]

A, B, C = Coe�ciente inerentes do material empregado A = 3,90802 x 10–3 B = –5,802 x 10–7 C = –4,2735 x 10–12

O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa() e se relaciona da seguinte forma:

 = R100 – R0 = 100 x R0 Um valor típico de alfa () para

R100 = 138,50 (Ω) é de 3,850 x 10 –3 Ω x Ω-1 x °C–1 Segundo a DIN-IEC 751/85

CONSTRUÇÃO FÍSICA DO SENSOR O bulbo de resistência compõe-se de um �lamento, ou resitência de platina ( Pt), (Cu) ou (Ni), com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização. As termoresistências de Ni e Cu têm a sua isolação normalmente em esmalte, seda, algodão ou �bra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes à temperatura, pois acima de 300°C, o níquel perde suas propriedades características de funciona-


mento, como termorresistências, e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310°C. Os sensores de platina, em função de suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas e têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados da fabricação. Apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando ela é utilizada em temperatura elevada, existe o risco de contaminação dos �os. Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme a Figura 36 a seguir. Esta montagem não tem problemas relativos à dilatação, porém, é extremamente frágil. Os medidores parcialmente apoiados têm seus �os introduzidos numa peça de alumina de alta pureza com �xador vítreo. É um meio termo entre resistência à vibração e dilatação térmica. A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém, a sua faixa de utilização �ca limitada à temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes. A montagem com miçanga de óxido de magnésio é bastante utilizada, porém, não permite que se faça ângulos com o sensor, pois ele será dani�cado internamente.

Isolador

Bainha

Condutores

Isolação mineral a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Bulbo de resistência

Figura 36 – Sensor Pt100 com miçanga de óxido de magnésio com bainha

Cinlindro de vidro

Condutores


Espiral de platina Figura 37 – Sensor Pt100

Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em tubo metálico, com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, o que permite uma boa troca térmica e protege o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com �os de cobre, prata ou níquel, isolados entre si, sendo a extremidade aberta, selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta.

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Vantagens

Desvantagens

Possui maior precisão dentro da

É mais caro do que os sensores

faixa de utilização do que outros tipos de sensores.

Com ligação adequada 0,36 não existe

limitação para a distância de operação.

utilizados nessa mesma faixa.

Deteriora-se com mais facilidade,

caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização.

Dispensa utilização de �ação especial

Temperatura máxima de utilização

Se adequadamente protegido, permite

É necessário que todo o corpo do

para ligação.

utilização em qualquer ambiente.

Tem boas características de reprodutibilidade.

630°C.

bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente.

Alto tempo de resposta.

 Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem.

CARACTERÍSTICAS DA TERMORRESISTÊNCIA DE PLATINA As termorresistências Pt-100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, sua larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade das termorresistências de platina, elas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270°C a 660°C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, uma vez que é a capacidade do sensor manter e reproduzir as suas características (resistência – temperatura) dentro da faixa especi�cada de operação. Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de con�abilidade das termorresistências. A repetibilidade deve ser medida com a leitura de temperaturas consecutivas, veri�cando-se a variação encontrada, quando da medição na mesma temperatura. O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeita à mudanças bruscas. Considera-se constante de tempo como o tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2% da variação da temperatura.

Isolação mineral

Condutores

Bulbo de resistência Figura 38 – Termorresistências com miçanga

Isolador

Bainha



PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO As termorresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição, tipo ponte de wheatstone, sendo que o circuito, encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4 x R2 = R3 x R1 e, desta forma, não circula corrente pelo detetor de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos. Para a utilização deste circuito como instrumento de medida de termorresistências, temos as seguintes con�gurações:

R3

Pt 100 = R4 A R1

+

B

V

– a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

R2

Figura 39 – Ponte de wheatstone

LIGAÇÃO A DOIS FIOS Como se vê na Figura 40, dois condutores de resistência relativamente baixa, RL1 e RL2, são usados para ligar o sensor Pt-100 ( R4) à ponte do instrumento de medição. Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt-100, mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto signi�ca que se os �os RL1 e RL2 forem de muito baixa resistência, eles podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor.

RL1 R3

Pt 100 = R4 RL2

V

B R1

A

+ –

R2

Figura 40 – Ponte de wheatstone com termorresistência a dois �os


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Tal disposição resultará em erro na leitura da temperatura, considerando que algum tipo de compensação ou ajuste dos �os do sensor equilibram esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a resistência dos �os não se altere em função do tamanho dos �os já instalados, eles estão sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz outra possível fonte de erro na medição. O método de ligação a dois �os somente deve ser utilizado quando o sensor estiver a uma distância de aproximadamente três metros. Neste tipo de medição a dois �os, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos �os de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido à variação da resistência de linha.

LIGAÇÃO A TRÊS FIOS Este é o método mais utilizado para termorresistências na indústria. Neste circuito, a con�guração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação �que o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a dois �os, as resistências de linha estavam em série com o sensor, contudo, na ligação a três �os elas estão separadas.

RL3 RL1 R3 Pt 100 = R4 RL2

A

V

R1

B

+ –

R2 a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

Figura 41 – Ponte de wheatstone com termorresistência a três �os

Nesta situação tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da PT-100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos �os de ligação. Este tipo de ligação, garante relativa precisão, mesmo com grandes distâncias entre o elemento sensor e o circuito de medição.


LIGAÇÃO A QUATRO FIOS Podemos ter termorresistência a quatro �os, empregados como padrão em laboratórios de metrologia.

Limites de erro Os limites de erro das termorresistências, segundo a norma DIN – IEC 751/85, para as classes A e B:

Classe A

±0,15 + ( 0,002 x t ) ºC Classe C

±0,30 + ( 0,002 x t ) ºC

RESISTÊNCIA DE ISOLAÇÃO O sensor Pt100 com isolação mineral terá que ser medido a sua resistência de isolação com um megôhmetro. O teste de isolação será feito em cada terminal e na bainha. Com um megôhmetro de tensão de 100VDC, sob temperatura ambiente e umidade relativa do ar, não excedendo a 70%, a polaridade deve ser trocada em todos os terminais. A isolação mínima é de 100MΩ. Pela norma DIN – IEC 751/85, a potência máxima desenvolvida numa termorresistência não pode ser maior que 0,1 mW, que está na faixa de atuação do sensor de uma corrente máxima de 3 mA. Valores típicos são da ordem 1 a 2 mA.

3.4 MEDIÇÃO DE VAZÃO – PRINCÍPIOS E DEFINIÇÕES Medição de vazão é a determinação da quantidade de líquidos, gases ou sólidos que escoa por uma determinada tubulação em uma unidade de tempo. Os instrumentos de vazão medem a quantidade total movimentada em um intervalo de tempo qualquer. Todos os instrumentos de vazão são utilizados nas indústrias química, farmacêutica e de petróleo, entre outras.

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UNIDADES A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões e pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas e libras). A vazão instantânea pode ser expressa em uma dessas unidades, dividida por uma unidade de tempo: l/m (litros por minuto), m 3/h (metros cúbicos por hora), GPM (galões por minuto), kg/h (quilogramas por hora), t/h (toneladas por hora) e assim por diante. Na medição de gases, a unidade muito utilizada é Nm 3/h (metros cúbicos “normais” por hora, ou seja, à temperatura de 0 oC e à pressão atmosférica igual a 760mmHg) ou em scfm (pés cúbicos “standard” por minuto, à temperatura de 60 oF e 14,696 psia de pressão atmosférica.

Principais relações entre unidades de volume m3

cm3

LITROS

PÉS CÚBICO

GALÃO

m3

1

1.000.000

1000

35,3147

264,18

cm3

0,000001

1

0,001

0,00003531

0,0002642

0,001

1.000

1

0,03531

0,2642

PÉS CÚBICO

0,0283168

28,320

28,3168

1

7,480

GALÃO

0,0037853

3.785,3

3,785

0,13367666

1

LITROS

VAZÃO EM VOLUME Vazão em volume é o volume de um �uido que escoa através de uma certa seção num intervalo de tempo. Con�ra a Tabela a seguir.

Medição de vazão PARA OBTER MULTIPLICAR m3/h O VALOR EM

m3/min

m3/s

GPM

BPH

pé3/h

BPD

pé3/min

m3/h

1

0,016667

0,00027777

4,40287

6,28982

150,956

35,314

0,588579

m3/min

60

1

0,16667

264,1721

377,2892

9057,34

2118,8802

35,3147

m3/s

3600

60

1

15850,33

22643,35

543440,7

127132,81

2118,884

GPM

0,22712

0,0037854

63,09.10-6

1

1,42857

34,2857

8,0208

0,13368

BPH

0,158987

0,0026497

44,161.10-6

0,7

1

24

5,614583

0,0935763

BPB

0,0066245

0,00011041

1,8401.10-6

0,029167

0,041667

1

0,23394

0,003899

pé3/h CFH

0,0283168

0,0047195

7,8657.10-6

0,124676

0,178108

4,2746

1

0,016667

1,69901

0,028317

0,00047195

7,480519

10,686

256,476

60

1

pé3/min CFM

GPM – Galão por minuto

BPH – Barril por hora

BPD – Barril por dia


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VAZÃO EM MASSA (QM) Vazão em massa é a quantidade de um �uído que atravessa a seção de uma tubulação em uma unidade de tempo. Onde:

m QM = t

QM = Vazão em massa m = Massa t = Tempo

Sabemos que massa especí�ca é a razão entre a massa e o volume de uma determinada substância. Onde:

m ρ= v

ρ = Massa especí�ca m = Massa V = Volume Q = Vazão

A vazão em massa pode ser relacionada com a vazão em volume, conforme mostrado a seguir:

QM =

ρV V m =ρx = t t t

= ρQ

Ou seja, a vazão em massa é igual ao produto da massa especí�ca pela vazão volumétrica.

QM = ρQ ou QM = ρ . v . A Unidades utilizadas:

kg/s, kg/h, t/h, t/dia

Unidade de vazão mássica T/DIA

T/H

kg/h

kg/s

LB/h

LB/min

LB/s

T/DIA

1

0,041667

41,667

0,011574

91,858

1,5310

0,025516

T/H

24

1

1000

0,27778

2204,6

36,7433

0,61239

kg/h

0,0240

0,001

1

0,000278

2,2046

0,03674

0,000612

kg/s

86,400

3,6

3600

1

7936,6

132,276

2,2046

LB/h

0,01089

0,0004536

0,4536

0,000126

1

0,01667

0,000278

LB/min

0,65317

0,02722

27,216

0,00756

60

1

0,01667

LB/s

39,1907

1,63295

1632,95

0,45360

3600

60

1

86


TIPO DE ESCOAMENTO

Reação reta do tubo

Escoamento turbuleto totalmente desenvolvido

Perfil de velocidade

Escoamento laminar

Perfil caisado por um vértice

Figura 42 – Tipos de escoamento

O número de Reynolds vai de�nir o tipo de escoamento, que pode ser laminar ou turbulento.

Número de Reynolds =

3160 x Q x G DxV

O número de Reynolds maior que 4.000 signi�ca escoamento turbulento totalmente desenvolvido. Para um valor menor que 2.000 teremos escoamento laminar.

MEDIÇÃO DE VAZÃO INSTANTÂNEA Neste caso, a medição é contínua, ou seja, é realizada a todo instante. Se a vazão variar será percebida pelo instrumento.

MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL Neste tipo de medição são utilizados elementos primários de vazão, com a �nalidade de provocar um diferencial de pressão mediante a introdução de uma restrição na tubulação, por onde estiver escoando o �uido. A pressão diferencial gerada pela restrição é proporcional ao quadrado da vazão instantânea na tubulação e pode ser representada pelas equações:



ΔP D

V=Kx

Q=KxA

ΔP D

Onde:

V = Velocidade média das partículas do �uido Q = Vazão, medida em volume W = Vazão, medida em massa A = Área da seção de passagem do �uido DP = Pressão diferencial gerada pela restrição D = Densidade do �uido K = Constante que depende da relação proveniente do diâmetro da restrição, do diâmetro da tubulação, das unidades de medida, dos fatores de correção, do tipo de escoamento do �uido entre outras constantes

Mantendo-se a área da seção da tubulação e a densidade do líquido constantes, as duas últimas equações podem ser simpli�cadas, como mostrado a seguir:

Exemplo de cálculo de uma nova vazão, dada a vazão máxima e o ΔP máximo:

Q = K ΔP

MEDIÇÃO DE VAZÃO EM GASES OU VAPOR Na medição de vazão de gases e vapor, a variação da temperatura e a pressão do �uido interferem na medição da vazão. Neste caso, é necessário medir a pressão e a temperatura para se efetuarem as correções necessárias (compensação de pressão e temperatura), pela equação:

Onde:

V=Kx

Pa x ΔP Ta

Q = Vazão Pa = Pressão absoluta Ta = Temperatura absoluta, em k Δ P = Pressão diferencial

87

88


ELEMENTOS PRIMÁRIOS DE VAZÃO (DEPRIMOGÊNIOS) Os principais elementos primários para medidores de vazão por ΔP são: Placa de orifício Orifício integral Tubo venturi Bocal Tubo pitot

Concêntrico

Excêntrico

Segmentado

Dreno a r u o M a l u a P / o i l ó F n I

Respiro

Figura 43 – Placa de orifício

PLACAS DE ORIFÍCIO A placa de orifício é instalada na tubulação entre dois �anges e tem a função de gerar uma diferencial de pressão e efetuar a medição de vazão. Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa, e instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. O orifício da placa pode ser concêntrico (furo no centro de placa), furo excêntrico (orifício posicionado na parte baixa da placa) e orifício segmental (tipo de orifício disposto em forma de segmento de círculo).


Figura 44 – Placa de orífício numa tubulação


TUBO VENTURI O tubo Venturi é composto por uma curta e estreita garganta situada entre duas seções cônicas. Geralmente, é instalado entre duas �anges, numa tubulação. Quando o �uido passa pela garganta aumenta a velocidade, diminuindo a pressão estática temporariamente.

Transmissor

Garganta

Reta


Cônica Figura 45 – Tubo Venturi

A recuperação de pressão em um tubo Venturi é e�ciente, sendo muito utilizado na medição de vazão em líquidos, com sólidos em suspensão. O cálculo de um tubo Venturi consiste em determinar a relação entre o diâmetro da seção central e o diâmetro da tubulação, a partir de uma pressão diferencial desejada.

TUBO DE PITOT É um dispositivo utilizado na medição de vazão. É um tubo colocado na direção da corrente que �ui dentro de um tubo em sentido contrário.

O tubo de Pitot mede apenas a velocidade do ponto de impacto e não a velocidade média do �uxo. Para que a medição seja correta é necessário que o tubo seja colocado no ponto de velocidade média.

P Pressão estatística


P0 Pressão total

P

Pressão dinâmica

Figura 46 – Tubo de Pitot


89

90


MEDIDOR DE VAZÃO TIPO TURBINA

Bucha


Rotor

Pick-up

Condicionadores de fluxo

Cone Figura 47 – Medidor de vazão tipo turbina

O medidor é constituído, basicamente, por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um �uido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um ímã permanente é montada fora da trajetória do �uido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do �uido e pelo ângulo das lâminas do rotor. Na medida em que cada lâmina passa diante da bobina e do ímã, ocorre um variação da relutância do circuito magnético e do �uxo magnético total a que está submetida a bobina. Veri�ca-se, então, a indução de um ciclo de tensão alternada. A frequência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do �uido e a vazão pode ser determinada pela medição total de pulsos.

MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICO (CORIOLIS) É um instrumento de grande sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade desde a indústria alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo, entre outras. Sua medição, independe das variáveis de processos, densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura e per�l do �uido. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: Tubos de sensores de medição

Transmissor


Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e �cam vibrando em sua própria frequência natural, à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um �uido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis manifesta-se causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidal.

SAIBA MAIS

Vazão

91

Tubos paralelos

Vazão Imã Bobina

Figura 48 – Medidor de vazão (Coriolis)

O príncipio de medição de vazão usando os medidores mássicos utiliza a força de Coriolis, o mesmo príncipio da força de deslocamento das marés.

3.5 NÍVEL Todos os instrumentos de medição de nível são utilizados nas indústrias química, farmacêutica e petróleo e gás, entre outras. Existem dois métodos de medição de nível empregados em processo:

Medição direta É a medição que se faz tendo como referência a posição superior da substância a ser medida.

Medição indireta É a determinação de forma indireta à variável.

Medidores de níveis MEDIÇÃO DIRETA

MEDIÇÃO INDIRETA

Réguas ou gabaritos

Pressão diferencial

Visores de nível

Borbulhador

Boias ou �utuador

Capacitor Ultrassom Pesagem Radar

Bobina de vibração


92


MEDIDORES DE NÍVEL DIRETO

RÉGUAS OU GABARITOS Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento apropriado para ser introduzida no reservatório cujo nível será medido. A determinação do nível se efetuará pela leitura direta do comprimento da parte da régua molhada pelo líquido, o que permite medidas instantâneas. A graduação da régua deve ser feita a uma temperatura de referência, podendo ser em unidade de comprimento, volume ou massa.

600

400

300

20


10

0

Figura 49 – Régua e gabarito

VISORES DE NÍVEL TIPO TUBULAR Os visores de nível tubular são fabricados com tubos retos, com paredes de espessuras adequadas as suas aplicações. Os tubos retos são �xados entre duas válvulas especiais de bloqueio. Os visores de nível do tipo tubular não suportam altas temperaturas e altas pressões.

O comprimento do tubo do visor depende das condições a que ele está submetido. O visor tem proteção contra eventuais choques mecânicos externos.



Figura 50 – Visor de nível tubular e vidro plano

VISORES DE VIDRO PLANOS Os visores de nível plano são compostos de vários módulos em que são �xados os vidros planos. Eles podem trabalhar com alta pressão e alta temperatura. Cada seção apresenta altura que varia de 100mm a 350mm. Os sensores de nível plano podem ser compostos de várias seções e devido à sustentação, ele não poderá ter mais de quatro seções. O visor de nível utilizado para aferir o nível da caldeira (em alta temperatura e pressão) terá um vidro de borosilicato.

Secção

Vidro


Figura 51 – Visor de nível plano

93

94


BOIA OU FLUTUADOR Nesse equipamento, uma bóia é arrastada pela superfície do líquido. A boia pode ser alojada num tubo de equilíbrio para montagem externa. Empregada com menor frequência do que a do tipo deslocador, a bóia tem faixas de medição restritas para os limites práticos do comprimento do seu braço.

Escala Corrente, cabo ou trena

Bóia


Contrapeso Figura 52 – Medidor de nível utiliza ndo boia

MEDIDORES DE NÍVEL POR DIFERENCIAL DE PRESSÃO Este tipo de medição é baseado no Teorema de Stevin.

Altura máxima

A pressão exercida no fundo de um reservatório contendo um líquido é igual ao produto da densidade do líquido pela altura da coluna líquida.

Usamos o Teorema de Stevin a l e c r a M s i r C / o i l ó F n I

D

H L

Figura 53 – Medidor por pressão diferencial

P = σ . h

Onde:

P h= σ

σ = densidade do produto

P = pressão h = altura da coluna


MEDIÇÃO DE NÍVEL POR DIFERENCIAL PRESSÃO EM TANQUES ABERTOS Na medição de nível por pressão em tanques abertos, a pressão atmosférica age sobre a superfície do líquido, provocando um erro na altura calculada. A pressão no fundo do reservatório pode ser representada pela fórmula a seguir:

Onde:

P = h x d

P = Pressão h = Altura da coluna d = Densidade do líquido

MEDIÇÃO DE NÍVEL CAPACITIVO A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre duas 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. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido. O elemento sensor, geralmente, é uma haste ou cabo �exível de metal. Em líquidos não condutores emprega-se um eletrodo normal. Em �uidos condutores o eletrodo é isolado, normalmente, com te�on. À medida que o nível do tanque aumenta, o valor da capacitância sobe, devido à substituição do dielétrico ar pelo líquido. A capacitância é convertida por um circuito eletrônico em uma corrente elétrica, sendo este sinal indicado por medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, por meio de sondas de proximidade, que consistem em um disco, compondo uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto.

Amplificador

Amplificador

Indicador

Tipo haste

Indicador

Sem contato Figura 54 – Medidor de nível capacitivo


95

96


MEDIDOR DE NÍVEL POR ULTRASSOM Aplicação Os dispositivos do tipo ultrassônico podem ser utilizados para a detecção contínua de nível, além de poderem atuar como sensores de nível descontínuo (chave de nível). 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.

Princípios físicos O ultrassom é uma onda sonora cuja frequência de oscilação é maior do que aquela sensível ao 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, com uma velocidade que depende da sua própria elasticidade e inércia. A propagação do ultrassom depende, portanto, do meio, quando então será feita a distinção da propagação nos sólidos, líquidos e gases. Assim, a velocidade do som é a base para a medição por meio da técnica de eco, usada nos dispositivos ultrassônicos.

Geração do ultrassom As ondas de ultrassom são geradas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, esses materiais podem ser empregados como geradores de ultrassom, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando aplicamos uma força em um material piezoelétrico, produzimos uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é utilizado como receptor de ultrassom.

Flanges Sensor Ar

Min.

Nível máx. (10m) Líquido

Figura 55 – Medidor de nível d e ultrassom



MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PESO É possível medir o nível de um reservatório em função do peso do produto nele contido. Determina-se o peso total do reservatório com uma balança convencional, ou por célula de carga (hidráulicas, pneumáticas ou elétricas). Obtém- se o nível do tanque deduzindo-se o peso do reservatório do peso medido.

Tipos de células de carga Há uma ampla variedade de sistemas de medição e transmissão de carga (peso), nos quais são utilizadas uma ou mais células de carga, dependendo do formato e do arranjo do tanque.

Célula de carga elétrica É um transdutor eletromecânico que transforma mudanças de força ou peso em mudanças de tensão. A variação de tensão pode ser calibrada diretamente em valores da carga aplicados à célula. De construção muito simples, as células de carga extensiométricas tiram proveito de todas as características dos extensômetros de resistência. Hermeticamente fechados no interior da célula de carga, estão um ou mais jogos de extensômetros, ligados a um elemento de aço, de alta resistência, usinado com tolerância muito restrita. Os extensômetros são ligados eletricamente para formar uma ponte de Wheatstone equilibrada. Acrescentam-se resistores de compensação adicionais ao circuito, para manter a precisão da ponte numa larga faixa de temperatura. O princípio de operação depende da de�exão do elemento sensor. A de�exão cria uma alteração na resistência dos extensômetros, desequilibrando, assim, o circuito da ponte. Como resultado, para uma determinada tensão, a tensão de entrada e a tensão de saída da ponte variam, proporcionalmente, com a carga. Dessa maneira, essa célula é indicada, registrada ou utilizada no controle por meio de instrumentos apropriados. F R1

R3

R2

R4

+ –

Figura 56 – Ponte de Wheatstone


97

98


3.6 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE Os elementos �nais de controle são resistores de aquecimento, bombas e inversores de frequência. Uma válvula de controle consiste, basicamente, de dois conjuntos principais: o corpo e o atuador. O corpo é a parte da válvula que executa a ação de controle, que permite maior ou menor passagem do �uido no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se, basicamente, nos seguintes subcomponentes:  Corpo propriamente dito  Internos Castelo Flange inferior Nem todos os tipos de válvulas possuem, obrigatoriamente, o seu conjunto do corpo formado por todos os sub componentes anteriormente mencionados. Em alguns tipos de válvulas, o corpo e o castelo formam uma só peça, denominada apenas de corpo, e em outros nem existe o �ange inferior. Porém, tais particularidades não serão consideradas, optando-se por um conceito mais global, para posteriormente restringi-lo, à medida que cada tipo de válvula de controle for sendo analisado. O conjunto do corpo corresponde à parte da válvula que entra em contato direto com o �uido, que deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do �uido. Trata-se de um vaso de pressão e, como tal, deve ser considerado.

o v r e c A / o i l ó F n I

Figura 57 – Válvula de processo


TIPOS DE CORPOS As válvulas de controle são classi�cadas em função de seu formato (tipo de corpo) em dois grupos:

Deslocamento linear

Deslocamento rotativo

1. Globo convencional

1. Borboleta

2. Globo três vias

2. Esfera

3. Globo gaiola

3. Obturador excêntrico

4. Globo angular 5. Diafragma 6. Bipartido 7. Guilhotina

Para cada tipo de processo ou �uido há sempre pelo menos um tipo de válvula, que satisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideração econômica. Cada tipo de válvula possui vantagens, desvantagens e limitações para este ou aquele processo.

SISTEMAS DE CONTROLE Um sistema de controle é uma série de unidades combinadas com a �nalidade de produzir um determinado resultado, com pouca ou nenhuma supervisão humana. Os sistemas de controle podem ser classi�cados em: Abertos

Fechados

Sistema de controle aberto É aquele em que a saída do processo não exerce nenhum efeito sobre a entrada do processo. Sistema de controle fechado (sistema de controle por realimentação) É aquele em que a energia de entrada no sistema é de alguma forma uma função da própria saída.

99

100


Geralmente, os sistemas de controle abertos não são utilizados no controle de processos industriais, portanto, apenas serão considerados os sistemas de controle fechados. Os controles podem ser manual ou automático. O controle automático tem como objetivo manter uma certa variável de processo em uma condição de valor �xo. Este valor pretendido é desejado. Com o controle manual, é o operador, por meio de sua observação, quem vai de�nir o fechamento ou abertura da válvula.

TIPOS DE CONTROLE Os controles podem ser classi�cados em malha aberta e malha fechada. Sistema de malha aberta A ação de controle é independente da saída, portanto, a saída não tem efeito na ação de controle.

Suprimentos

Reservatório de água

Processo


Figura 58 – Malha aberta

Sistema de controle em malha fechada A ação de controle depende da saída, que é sempre comparada com a entrada.

Válvula de controle Suprimentos Controlador de nível

Reservatório de água

Transmissor de nível Processo Figura 59 – Malha fechada



101

PARTES DE UM SISTEMA DE CONTROLE Qualquer sistema de controle apresenta, basicamente, as seguintes par tes ou elementos:

1. Processo 2. Elemento primário 3. Transmissor 4. Controlador 5. Elemento final de controle

O processo É a parte do sistema que desenvolve alguma função desejada. Pode ser mecânico, químico, elétrico, ou uma combinação desses. O nível de um líquido em um tanque, por exemplo, é um processo, assim como também a geração de vapor por meio de uma caldeira.

Elemento primário Utiliza ou transforma a energia proveniente do meio, sendo, controlado para produzir um efeito, que é a função da variação no valor da variável controlada. Exemplos de elementos primários: termômetros, termopares, placas de orifício, manômetros, entre outros.

Transmissor Dispositivo utilizado para transmitir o sinal vindo do elemento primário para outro lugar.

Controlador É um dispositivo que produz um sinal de saída, que é função do sinal do desvio.

Variações de carga T1

Mecanismo controlador Valor desejado TR

+ –

Controlador

+ –

Elemento final de controle

Variável controladora Processo

T2

Medida variável Mecanismo detector do desvio

TM Tranformador

TM

Figura 60 – Controlador

Elemento primário


102


Elemento �nal de controle Representa um dispositivo manipulado pelo sinal de saída do controlador, com a função de regular o �uxo de energia ou material para um processo. Alguns exemplos de elementos �nais de controle: válvulas de controle, reostatos, determinados tipos de bombas e outros. Entre os diversos tipos de elementos �nais de controle, a válvula é, sem dúvida, a mais amplamente utilizada.

Vapor à temperatura Tv (variável manipulada)

TCV

Válvula de controle TIC Controlador

Fluido à temperatura Te

Transmissor TT Elemento TE primário

Válvula de calor Fluido aquecido à temperatura T2 (variável controladora)

Figura 61 – Válvula de controle

TIPOS DE AÇÃO DE CONTROLE O controle automático para medição da variável controlada (a saída) é sempre comparada com o valor medido e o valor desejado. A diferença entre estes dois valores é então processada para modi�car o elemento �nal de controle. O modo de acionamento pode ser o de ação direta (normal) e o de ação indireta (reversa). As ações de controle podem ser: On-off

Integral

Proporcional

Derivativa

Ação de controle onoff Esta ação de controle do elemento �nal terá duas posições. Totalmente aberto ou totalmente fechado. Este tipo de controle não proporciona o balanço entre a entrada e a saída de energia.



Controle proporcional Neste modo de controle o sinal de saída do controlador é diretamente proporcional ao desvio, indicando um erro de off set:

Onde:

P = Sinal de saída do controlador

P = Kc ε + Ps

Kc = Ganho ou sensibilidade (também conhecido como banda proporcional) do controlador, ajustável no próprio controlador

ε = Erro SP – variável de medidas Ps = Constante – Saída do controlador

Controle integral Neste modo de controle o sinal de saída é proporcional à integral do desvio, ou seja:

Onde:


P=

KC

1

∫ ε dt

Tr 0

Kc = Ganho ou sensibilidade (também conhecido como banda proporcional) do controlador, ajustável no próprio controlador Tr = Tempo integral

ε = Erro SP – variável de medida dt = Costante da integral

CONTROLE DERIVATIVO Neste tipo de controle o sinal de saída é proporcional à velocidade de aumento do desvio veri�cado, ou seja:

Onde:


P = KC TD

dε dt

Kc = Ganho ou sensibilidade (também conhecido como banda proporcional) do controlador, ajustável no próprio controlador Td = Tempo em minutos da ação derivativa dε = Derivada erro

dt = Constante da derivada

103

104


CONTROLE PID Variável controlada (desvio do valor desejado)

Off set 1

4

8

12

16 Tempo (min.)

Bistável

Proporcional – Integral

Proporcional

Proporcional – Integral derivado

Figura 62 – Tipos de controle

3.7 ANALISADORES DE GASES

ANALISADOR DE OXIGÊNIO NA CÉLULA DE ZIRCÔNIO O gás de amostra entra na porta de entrada através da válvula agulha e passa por um tubo de entrada de cerâmica. Em seguida, ele passa por um espaço anular entre o tubo de entrada e o interior do sensor de oxigênio e de óxido de zircônio, saindo depois pela porta de saída e pelo medidor de vazão. Quando não há combustível no gás de amostra, o analisador mede o total de oxigênio. Quando houver combustível, um catalisador de platina (localizado no �nal do tubo de cerâmica) garante que a amostra alcance o equilíbrio, antes de entrar em contato com o eletrodo interno. Assim, é possível medir o excesso de oxigênio ou a falha nas misturas de ar/combustível. O sensor de óxido de zircônio é aquecido e controlado cuidadosamente a 700°C (1.292 °F). Quando a amostra entra em contato com o eletrodo interno do sensor aquecido, um sinal elétrico é gerado. O sinal é proporcional ao logaritmo da razão da concentração do oxigênio no gás de amostra, em relação à concentração de oxigênio no gás de referência, em contato com o eletrodo externo. O componente eletrônico exibe oxigênio em ppm ou em percentagem. São exibidos outros parâmetros, incluindo os valores do sensor de oxigênio em milivolt e a temperatura do sensor em °F ou °C. O ar ambiente é utilizado como gás de referência na parte externa da célula eletroquímica.



TIPOS DE ANALISADORES Os instrumentos baseados na absorção de infravermelho podem ser classi�cados em dois grandes grupos:

1. Analisadores tipo dispersante (espectrômetro) 2. Analisadores tipo não dispersante

TIPO DISPERSANTE Observe o princípio de funcionamento dos analisadores dispersantes na Figura 63 a seguir.



(D) Detector Fonte

Célula de análise Registrador (P) Prisma

Anteparo

Janelas tranparentes Figura 63 – Medidor com célula de zircônio – célula com prisma

A radiação infravermelha proveniente da fonte ( F), passa através de uma célula, contendo a amostra da substância a ser analisada. O feixe transmitido sofre, no prisma (P), uma dispersão e o espectro, assim obtido, incide em uma fenda que seleciona uma estreita faixa ou banda de comprimentos de onda, que irá atingir o detector de radiação (D). Atuando sobre os sistemas de dispersão, pode-se fazer uma exploração de todo o espectro, tendo como resultado, um grá�co chamado espectrograma.Este tipo de analisador é utilizado em laboratórios e sua operação e feita por técnicos especializados. Pode analisar gases, líquidos e sólidos, não havendo, em princípio, necessidade de conhecimento prévio dos componentes da amostra a ser analisada, pois o estudo do espectrograma fornecido permite identi�car e quanti�car as diversas substâncias presentes.

Célula de análise Fonte

(D) Detector



Registrador Janelas tranparentes Figura 64 – Medidor com célula de zircônio



105

106


TIPO NÃO DISPERSANTE O feixe de radiação que passa através da célula de análise, incide no detector (D) sem ter sofrido nenhuma dispersão. O sinal recebido pelo detector varia de acordo com a concentração do gás a ser analisado. A fonte do infravermelho (F) emite um feixe de acordo com a concentração do gás a ser analisado e o resultado é registrado em percentuais. Uma diferença a ser observada entre os dois tipos de analisadores é a de que, no tipo não dispersante, a amostra �ui continuamente através da célula de análise, fornecendo, ao longo do tempo, a concentração de somente um dos componentes da amostra. No espectrômetro (analisador tipo dispersante), a análise é feita por meio de uma amostra selecionada por vez, sendo, o resultado, o espectro de absorção de todos os componentes presentes na amostra. Pelo fato de os Analisadores Não Dispersantes apresentarem uma análise contínua ao longo do tempo, eles possuem aplicação bastante comum, como elementos de monitoria e controle em processos industriais, dos mais variados tipos, principalmente, na análise de substância na forma gasosa.

Tempo

Concentração Número de ondas (cm)

Comprimento da onda (  ) Figura 65 – Grá�cos do analisador de oxigênio (O2)



Nem todos os tipos de válvulas possuem no conjunto do seu corpo todos os sub componentes anteriormente mencionados. Em alguns tipos de válvulas, o corpo e o castelo formam uma só peça, denominada apenas de corpo, em outros, nem existe o �ange inferior. Porém, tais particularidades não serão consideradas, optando-se por um conceito mais global, para posteriormente restringi-lo, à medida que cada tipo de válvula de controle for sendo analisada. Como o conjunto do corpo corresponde à parte da válvula que entra em contato direto como �uido, ele deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do �uido. Trata-se, portanto, de um vaso de pressão e, como tal, deve ser considerado.

3.8 TIPOS DE MALHAS DE PROCESSO Ajuste de parâmetros de controle das malhas Malha de controle tipo feedback Malha de controle em cascata

Controle de relação Controle feed forward Controle split-range

MALHA DE CONTROLE TIPO FEEDBACK Neste tipo de regulação automática, a ação de correção é produzida em função das diferenças entre a variável do processo e o set point . A correção não mudará o seu sinal até que o desvio também não mude. A correção é cessada quando PV = SP.

Feedback controller + +

LC

Feedback FFC controller

LT

Onde:

FT

PV = Variável de processo SP = Set point

Steam

Feedwater Boiler drum Hot gas

Figura 66 – Controle tipo feedback


107

108


CONTROLE EM CASCATA O controle em cascata é implementado quando a malha de controle simples já não responde satisfatoriamente, principalmente, em processos de grande inércia e quando o processo possui uma perturbação contínua na variável regulada. Aplica-se o controle em cascata quando os efeitos do distúrbio sobre a variável manipulada afetam a variável controlada.

TC Feedback controller

TT Hot oil Fuel gas

Cold oil Furnace


Figura 67 – Controle em cascata

CONTROLE DE RELAÇÃO Este tipo de controle consiste em determinar uma determinada vazão QA a uma chamada relação livre QL. Disturbance stream, d

Onde:

FT

QA = Vazão no ponto A QL = Vazão no ponto L

dm Ratio controller Divider

+

RC

R m

Ratio set point R d

p

um FT

Manipulated stream, u Figura 68 – Controle de relação



CONTROLE SPLIT-RANGE Este tipo de controle envolve normalmente duas válvulas de controle operadas pelo mesmo controlador. O controle em faixa dividida.

PC I/P

I/P

PT

Reator V1

V2

Posição da válvula 1 V1

V2

0 3

6

9

12

Saída controlador (psig) 15 Condição

Figura 69 – Controle Split – Range

RECAPITULANDO Neste capítulo estudamos as variáveis de processo utilizadas na indústria de petróleo e gás. São elas: pressão, nível, temperatura, vazão, elementos �nais de controle e tipos de controle. A pressão é uma das variáveis utilizadas para medir pressão e também nível e vazão, na variável pressão foram abordados os tipos de intrumentos utilizados pela indústria de petróleo e gás e em sistemas de intertravamento. Vemos que a medição de nível pode ser feita por medidores diretos ou por medidores indiretos. Os medidores diretos medem o valor da variável diretamente, os medidores indiretos medem o nível de maneira indireta. Os intrumentos de pressão diferencial são utilizados para medição de nível. A temperatura vai apresentar tipos de sensores, tais como: termopares e termoresistência, assim como o termômetro que tem como �uido, o mercúrio e o álcool. Na medição de vazão temos medidores especiais, medidores com perda de carga variável e área constante, área variável com perda de carga constante, medidores de vazão por deslocamento positivo e por velocidade de impacto. Também estudamos os elementos �nais de controle: as válvulas de controle e os tipos de válvula, além dos tipos de controle utilizados nas malhas de controle.


109

Fluxogramas

4 INÍCIO

1 DETERMINAÇÃO DOS LIMITES DA MÁQUINA 2 IDENTIFICAÇÃO DOS FENÔMENOS PERIGOSOS 3

FIM

ANÁLISE DO RISCO

ESTIMATIVA DO RISCO

4

SIM

AVALIAÇÃO DO RISCO: (a máquina está segura)


?

Figura 70 – Fluxograma de redução de riscos

4.1 CARACTERÍSTICAS GERAIS DE INSTRUMENTOS UTILIZADOS NAS INDÚSTRIAS DE PETRÓLEO, QUÍMICA, FARMACÊUTICA, ALIMENTOS E SIDERÚRGICA As instalações industriais podem apresentar arranjos simples, como complexos de instrumentos de medição e controle de processo. Podemos analisar os instrumentos, conforme a sua utilização.

Instrumento sem indicação São instrumentos sem indicação local, como as chaves de alarme (pressostatos e termostatos que funcionam como chaves de pressão e temperatura). Estas chaves são acionadas conforme o ajuste do instrumento. Instrumento indicadores São instrumentos que têm indicação local. Pode ser com display ou escala (analógicos).

0

2

4

6

8

Figura 71 � Escala de instrumento analógico

10


112


Instrumentos registradores São instrumentos que podem indicar ou registrar a variável de processo.

r o t u a

o d o v r e c A

Figura 72 � Registrador

Transmissores São instrumentos que estão em contato direto com a variável de processo, podendo indicar e transmir um sinal padrão (4 a 20mA). Observe a Figura 73.

Conversores São instrumentos que convertem os sinais recebidos para outros instrumentos, conforme a Figura 74. Por exemplo, recebem o sinal de 4 a 20 mA e convertem para um sinal pneumático de 3 a 15 psi, ou 0,2 a 1 kgf/cm2, ou 3 a 27 psi. Exemplos: I/P – Converte sinal de corrente em pressão E/I – Converte sinal de tensão em corrente F/I – Converte sinal digital


Figura 73 � Transmissor


Figura 74 � Válvula conversora

4 FLUXOGRAMAS

Controladores São instrumentos que comparam a variável medida com o valor desejável (set point ) e exercem uma correção na variável manipulada, indicando o erro de off set.


Figura 75 � Controladores

VOCÊ SABIA?

O primeiro controlador foi utilizado na década de 1940, nos Estados Unidos.

Elemento �nal de controle São elementos de correção que recebem o sinal do controlador (correção) e atuam sobre a variável manipulada na malha de processo.

4.2 TERMINOLOGIA UTILIZADA EM INSTRUMENTAÇÃO, QUE DEFINE CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS E DINÂMICAS DOS INSTRUMENTOS Faixa de medição ( Range) É o conjunto de valores compreendido entre valores inferiores e superiores (escala de medição) com a capacidade de medição do instrumento.

FIQUE ALERTA

Os trabalhos feitos em re�naria de petróleo são trabalhos perigosos e necessitam de PT (permissão para trabalho).

Alcance (Span) É a diferença inferior e superior da faixa de medição (range). Exemplo: um instrumento tem um range de 10 psi a 200 psi, assim, o span é 190 psi.

113

114


Erro (Off set) É a diferença entre o valor lido e o valor ajustado, em relação ao valor real da variável medida.

Podemos ter dois tipos de erro:

Erro estático Processo em regime permanente Erro dinâmico Processo que varia consideravelmente


Ponto de ajuste ( Set point ) É o ponto de ajuste para controlar o processo.

Precisão ( Accuracy ) É o maior erro estático que um instrumento pode apresentar, ao longo de sua faixa de trabalho. Podemos expressá-lo de diversas maneiras: Percentagem do valor lido 150 kgf/cm2 (2%) 150 x 2 = 3 kgf 100 cm2

Percentagem do range 20 kgf/cm2 a 100 kgf/cm2 (2%) 100 x 2 = 2 kgf 100 cm2

Percentagem do span 20 kgf/cm2 a 100 kgf/cm2 (2%) 80 x 2 = 1,6 kgf 100 cm2

Rangeabilidade (Largura de faixa) É a relação entre valor máximo e valor mínimo, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento.

4 FLUXOGRAMAS

Zona morta É a máxima variação que se pode ter sem variar a indicação ou o sinal de saída. Exemplo: Um instrumento com range de 100ºC, com zona morta de ± 0.5%, terá uma zona morta de ±0,5ºC.

Sensibilidade (Sensitivity ) É o valor mínimo que uma variável pode ter, quando provoca mudança de indicação. Exemplo: Um instrumento com range 0 a 14 pH, com sensibilidade de ±0,04%. 0,4 x 14 = ±0,04pH 100

Histerese É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor no movimento ascendente e descendente. É expressa em percentagem do span. Exemplo: Um instrumento com range 50 psi a 150 psi tendo histerese de 0,4%. 100 x 0,4 = 0,4 Psi 100 Característica descendente

Indicação ºC

Característica ascendente

200

120,2

Diferença mínima

119,8

0

120

Sinal gerado Cº 200

Figura 76 � Curva c aracterística do erro de histerese


115

116


4.3 SIMBOLOGIA

IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS

Petrobras

SAMA

ISA

A identi�cação e os símbolos de instrumentos constam de diversas normas técnicas: Veja a seguir a relação delas.

Da Petrobras N-58 Símbolo grá�cos para �uxogramas de processos de engenharia (procedimento). N-1521 Identi�cação de equipamentos industriais N-1710 Codi�cação de documentos técnicos de engenharia (classi�cação)

Da SAMA (Sienti�c Apparatus Makers Association) PMC 22.1 – 1981 Functional diagramming of intrument and control systems.

Da ISA (Instrument Society of America) A simbologia de instrumentação analógica e digital, compartilhada e integral, distribuída e centralizada, baseia-se nas seguintes normas americanas, geralmente, traduzidas para o português: ISA 55.1 Instrumentation, symbols and identi�cation ISA 55.2 Binary logic diagrams for process operations ISA 55.3 Graphic, symbols for distributed control/shared display instrumentation, logic and computer system.

4 FLUXOGRAMAS

CÓDIGO DE IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS Cada instrumento deve ser identi�cado por meio de um sistema de letras com a �nalidade de classi�cá-lo e identi�cá-lo funcionalmente, mostrando os números e a área em que o equipamento está instalado. Esta identi�cação é chamada de TAG do instrumento. Exemplo: FIT 201 � Transmissor Indicador de Vazão, área 201.

SÍMBOLOS DE LIGAÇÕES E SINAIS USADOS EM INSTRUMENTAÇÃO Símbolos de ligações e sinais usados em instrumentação Suprimentos ou impulso Sinal pneumático

Sinal hidráulico Sinal eletromagnético ou sônico guiado Ligação por software

Sinal binário pneumático Sinal não de�nido

Sinal elétrico Tubo capilar Sinal eletromagnético ou sônico não guiado Ligação mecânica

Sinal binário elétrico


Os instrumentos são identi�cados na malha de processo por um TAG. Ele é composto por letras e números. A tabela exempli�ca o signi�cado das letras e a sua colocação no TAG.

117

118


Letras empregadas em simbologia de instrumentação PRIMEIRA LETRA LETRAS

VARIÁVEL

LETRAS SUBSEQUENTES

MODIFICADOR

FUNÇÃO DISPLAY

A

Análise

Alarme

B

Queimador

Queimador

C

Escolha

D

Escolha

E

Tensão (f..e.m.)

F

Vazão (�ow )

G

Escolha

H

Manual (hand )

I

Corrente

J

Potência

Varredura (Scan)

K

Tempo

Tempo de mudança

L

Nível (level )

M

Escolha

N

Escolha

Escolha

O

Escolha

Orifício ou restrição

P

Pressão, Vácuo

Ponto de teste

Q

Quantidade

R

Radiação

S

Velocidade ou frequência

T

Temperatura

U

Multivariável

V

Vibração, análise mecânica

W

Peso, força

Poço (well)

X

Não classi�cado Eixo X variável a de�nir

Não classi�cado

Y

Evento, estado função a de�nir

Eixo Y

Z

Posição dimensão

Eixo Z

FUNÇÃO SAÍDA

MODIFICADOR

Escolha

Escolha

Controle Diferencial Elemento sensor Fração ou relação Visor ou indicador local Alto (high) Indicação Estação controle Lâmpada

Baixo (low )

Momentâneo

Integral, total

Médio Escolha

Escolha

Registro

Segurança

Chave Transmissor Multifunção

Multifunção

Multifunção

Válvula, Damper Não classi�cado

Não classi�cado

Relé Computação Elemento �nal

Exemplo de identi�cação de instrumentos P Variável

IT Função

110 Área de atividade

01

B

Sequencial da malha su�xo

Identi�cação funcional

Identi�cação da malha

P � Variável indicadora da pressão

T – Função transmissor

01 – Sequencial da malha

I � Função Indicador

110 – Área de localização do instrumento

B – É o instrumento B do equipamento

4 FLUXOGRAMAS

SÍMBOLOS DE IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE CAMPO E PAINEL Símbolos gerais de instrumentos ou funções LOCALIZAÇÃO

EQUIPAMENTOS PAINEL PRI NCIPAL

C AM P O

PAINEL AU XILI AR

PAINEL PRINCIPAL �ATRÁS�

Instrumentos discretos

Instrumentos compartilhados

Computadores de processo

Controladores digitais


4.4 MALHA DE PROCESSO De acordo com a norma técnica preestabelecida, cada instrumento ou função programado é identi�cado por um conjunto de letras – que o classi�ca funcionalmente – e por um conjunto de algarismos, que indica a malha a qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identi�cação, pode-se acrescentar um su�xo.

Uma malha de processo é composta de vários instrumentos e suas simbologias.

119

120


Reagente B

Reagente A

THA 4

HS 6

FY 1

FT 1

FRC 1 TSHH

OR

4

TSH 4

FT 2

FR 2

S.P.

FIC 2

UY 7A S

FE 2

UY 7B

S

TRC FV 2 OR FV 1 LAN 3

LSH 3

LAL 3

LSL 3

FC PSE 10

PV 9

Sistema de Vent

TT 4 FO

LIC 3

LT 3

PT 9

PRC 9

PV 5

FC

Sistema de Vapor

FO

UY 7D

PT 5 LC 8

UY 7C

S

S.P. PRC 5

S

LSL 1l

Vent FO

Suprimento de água

Vent

Jaqueta de resfriamento

Reator

LAL 1l

PV 5

FC

LV 8

Retorno da água

FO LV 3

FO FC

Vent

S

UY 7E

Ar de instrumento Purificação

Figura 77 – Malha de processo


4 FLUXOGRAMAS

CASOS E RELATOS

Uma válvula de processo de um tanque de amônia apresentou defeito e foi solicitado o reparo. Para tanto, foi pedido uma PT (Permissão pra Trabalho). Trabalho). As válvulas de proteção do tanque foram fechadas e a válvula TCV 2703T01 foi retirada para que a o�cina �zesse o reparo. O conversor de pressão corrente I/P não foi retirado. A válvula foi desmontada na o�cina, e suas peças internas foram usinadas e reparadas. A válvula voltou a sua área de trabalho, tendo sido recolocada no lugar. Quando se tentou abrir a válvula foi constatado que o conversor (que não havia sido retirado) estava com defeito, pois não abria nem fechava a válvula de processo. O instrumentista que havia retirado a válvula válvul a do local a�rmou que havia testado o conversor e que ele não apresentou defeito. O conversor foi levado para a o�cina e desmontado, a �m de que o defeito fosse sanado. Assim foi feito, ele foi montado no local e depois dos testes no conjunto, o trabalho foi entregue à operação. No DDS (Diálogo Diário de Segurança), foi relatado que o defeito do conversor foi provocado por um inseto (marimbondo), (marimbondo), que penetrou na tomada de saída do conversor e morreu dentro da válvula piloto, o que impedia a saída de ar para a válvula.

RECAPITULANDO Este capítulo tratou da simbologia utilizada nos �uxogramas de processo. Segundo a norma ISO 5.0, esta simbologia é usada em todos os �uxogramas utilizados em ambientes industriais e também na indústria de petróleo e gás.

121

REFERÊNCIAS BEGA, Egidio Alberto. Instrumentação aplicada a controle de caldeira . Interciência. COHN, Pedro Estéfano. Analisadores industriais . IBP-Editora Interciência. LIRA, Francisco Adval de. Metrologia na indústria . 3. ed. Érica. MARTINS, Nelson. Manual de medição de vazão . SIGHIERI, Luciano; NISHINARI, Akiyosh. Controle automático de processo . Edgar Blucher. CAMPOS, Mario Cesar M, M; Teixeira Herbert. Controles típicos de equipamentos e processos industriais. Edgar Blucher. ALBERTOZZI, Armando. Fundamentos de metrologia cientí�ca e industrial . Manole. JUNIOR, Manoel J dos Santos. Metrologia dimensional teoria e prática . Editora da Universidade – UFRGS.

NORMAS TÉCNICAS ANSI/ISA-S5.1 R1992 Instrumentation Symbols Identi�cation NBR-8190 Simbologia de Instrumentação ISA -5.5-1985 Graphic Symbols for Proccess Display ANSI /ISA – 51.1-1979 Process Instrumentation Terminology ANSI/ISA – S5.1 -1984 (R1992) Instrumentation Symbols and Identi�cation NBR – 8190 Simbologia de Instrumentação ISA -5.5-1985 Graphic Symbols for Process Displays ANSI /ISA – 51.1 – 1979 (R 1993) Process Instrumentation Terminology

MINICURRÍCULO DO AUTOR MANOEL JORGE DE OLIVEIRA

Manoel Jorge de Oliveira, engenheiro eletrônico e de telecomunicações, formado pela Faculdade Nuno Lisboa. Atua na área de instrumentação e controle de processos desde 1984. Durante doze anos trabalhou em Laboratório de Metrologia, na empresa Maqui Moto. De 1996 até 2009 trabalhou como engenheiro de Instrumentação, em uma empresa terceirizada (ABB e COMAU), no contrato da Petro�ex. Atuou como coordenador dos cursos de Eletrônica e Telecomunicações, no Colégio Mercúrio. Possui experiência de vinte anos como instrutor de Instrumentação e Controle, Eletrônica e de Telecomunicações, nos cursos do SENAI, Petrobras, OSX, CSA, dentre outros.

SENAI � DEPARTAMENTO NACIONAL UNIDADE DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA � UNIEP Rolando Vargas Vallejos

Gerente Executivo Felipe Esteves Morgado

Gerente Executivo Adjunto Diana Neri

Coordenação Geral do Desenvolvimento dos Livros

SENAI � DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO DE JANEIRO NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA � NUCED Luis Roberto Arruda Marcela Gomes Geraldo

Coordenação do Desenvolvimento dos Livros no Departamento Regional Ana Beatriz Lima Guedes Monteiro

Coordenação do Projeto Manoel Jorge de Oliveira

Elaboração Gisele Teixeira Saleiro

Revisão Técnica Biblioteca Artes Grá�cas

Normalização

i-Comunicação

Projeto Grá�co José Carlos Martins

Design Educacional Márcia Elisa Rendeiro

Revisão Ortográ�ca e Gramatical Cris Marcela Paula Moura André Brito

Ilustrações Gra�tto

Produção In-Fólio

Programação Visual, Edição e Produção Editorial

METROLOGIA_ALTA.pdf

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