INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE
DE PROCESSOS
Prof: Waldemir
INTRODUÇÃO
A necessidade do aumento na produção industrial visando atender à
demanda sempre crescente, a busca contínua pelo baixo custo e a criação e
fabricação de novos produtos, propiciou o aparecimento de um número
cada vez maior de indústrias. Estas indústrias só puderam surgir devido ao
controle automático de processos industriais, sem o qual a produção não
seria de boa qualidade e mesmo alguns produtos não poderiam ser
fabricados. O controle automático de processos industriais é cada vez mais
empregado por aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros
que seriam provocados pelo elemento humano e manter automática e
continuamente o balanço energético de um processo.
CONCEITOS BÁSICOS
1 – INSTRUMENTAÇÃO
É a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos
de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis em
processos industriais. É a arte e a ciência que projeta, constrói, instala, opera e
mantêm estes instrumentos.
2 - VARIÁVEL DE PROCESSO:
Qualquer fenômeno físico ou físico/químico cuja quantidade,
propriedade ou condição física é medida a fim de que se possa efetuar
sua indicação e/ou o controle de um processo (também chamada de
variável controlada). As principais variáveis de processos encontradas
em ambientes industriais são: vazão, temperatura, pressão, nível,
densidade, pH, condutividade, etc.
3 - VARIÁVEL MANIPULADA
É a variável que é operada com a finalidade de manter a variável
controlada no valor desejado.
4 – PROCESSO
Qualquer operação ou seqüência de operação envolvendo uma mudança de
estado, composição, dimensão ou outras propriedades que possam ser
Definidas relativamente a um padrão. Pode ser contínuo ou em bateladas.
• SET POINT:
É um valor desejado estabelecido previamente como referência no qual
a variável controlada deve permanecer.
• DISTÚRBIO:
É uma condição que tende a afetar adversamente o valor da variável
controlada.
• DESVIO:
Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o
valor da variável controlada. Também chamado erro.
• GANHO:
Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na
saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e
a saída devem ser expressas na mesma unidade.
• TOMADA DE IMPULSO:
Uma tomada de impulso é um determinado ponto em um processo
Industrial (torre, vaso, tubulação, etc.) em que se pode tomar uma medida
de uma variável física qualquer, seja um valor de pressão, uma
temperatura, uma densidade ou qualquer outra disponível.
CLASSIFICAÇÃO POR SINAL DE TRANSMISSÃO OU DE
SUPRIMENTO
• PNEUMÁTICO:
neste tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada
conforme o valor que se deseja representar. A variação da pressão do gás
é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada
internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde
seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou
recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0
kgf/cm2 (aproximadamente 3 a 15 PSI no sistema inglês). O gás mais
utilizado para transmissão é o AR COMPRIMIDO, sendo também utilizado
o NITROGÊNIO e em casos específicos o GÁS NATURAL (Petrobras).
• Vantagem:
fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existem riscos de
explosão – áreas classificadas - como centrais de gás,
• Desvantagens:
a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu
suprimento e funcionamento.
b) Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro,
desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco e sem
partículas sólidas.
c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser
enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a
transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.
d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos
instrumentos são difíceis de serem detectados.
e) Não permite conexão direta aos computadores.
• HIDRÁULICO:
similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo
hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos
para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde
torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões
elevadas.
• Vantagens:
a) Pode gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso
e dimensões.
b) Resposta rápida.
• Desvantagens:
a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento.
b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca.
c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros,
bombas, etc.
• ELÉTRICO:
este tipo de transmissão é feito utilizando sinais elétricos de corrente ou
tensão. Em face da tecnologia disponível no mercado em relação à
fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é este
tipo de transmissão largamente utilizado em todas as indústrias.
Assim, como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente
modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de
valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de processo
qualquer. Como padrão para transmissão a longas distâncias são
utilizados sinais em corrente contínua variando de 4 a 20 mA e para
distâncias até 15 metros aproximadamente, também utilizam-se sinais
em tensão contínua de 1 a 5V.
• Vantagens:
a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.
b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal
de transmissão.
c) Necessita de poucos equipamentos auxiliares.
d) Permite fácil conexão aos computadores.
e) Fácil instalação.
f) Permite de forma mais fácil a realização de operações matemáticas.
• Desvantagens:
a) Necessita mão de obra especializada para sua instalação e manutenção.
b) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações
localizadas em áreas de risco.
c) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou
fios de sinais.
d) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.
• DIGITAL:
Neste tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados
para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e
padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor
receptor seja realizada com êxito é utilizada uma “linguagem” padrão
chamada protocolo de comunicação.
• Vantagens:
a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.
b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados.
c) Imune a ruídos externos.
d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da
malha.
e) Menor custo final.
• Desvantagens:
a) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a
informação e/ou controle de várias malhas.
• RÁDIO:
neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua
estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência
específica.
• Vantagens:
a) Não necessita de cabos de sinal.
b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em
movimento.
• Desvantagens:
a) Alto custo inicial.
b) Necessidade mão de obra altamente especializada.
• MODEM:
A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas
pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.
• Vantagens:
a) Baixo custo de instalação.
b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias.
• Desvantagens:
a) Necessita de profissionais especializados.
b) Baixa velocidade na transmissão de dados.
c) Sujeito a interferências externas, inclusive violação de
informações.
Elementos do Controle Automático.
• Os elementos do controle automático são divididos em três
grupos: elementos primários, elementos secundários e
elementos finais de controle.
• Diagrama de bloco - Utilizado para dar uma melhor visualização da
interdependência dos diversos órgãos que compõem o sistema,
evidenciando as diferentes entradas e saídas das malhas de ação e de
realimentação, tornando-as compreensivas.
• Os blocos não têm apenas uma função ilustrativa, constituem um
método eficaz para o estudo de sistemas complexos. Cada bloco tem
uma tradução matemática das funções, podendo-se mesmo estabelecer
operações entre eles e nas malhas globais que os integram.
• Malha de controle é a combinação de instrumentos interligados para
medir e/ou controlar uma variável.
• Elementos primários são dispositivos com os quais se consegue detectar
(medir) alterações nas variáveis do processo. Exemplo: sensores de
pressão, indicadores de temperatura, etc.
• Elementos secundários são dispositivos que recebem e tratam o sinal
do elemento primário. Exemplo: transmissores, controladores, etc.
• Elemento final de controle (final control element) - É quem atua na
variável manipulada em função de um sinal de comando/controle
recebido. Normalmente é uma válvula.
•
Processo (controlled system) - Trata-se de um determinado sistema
industrial (planta) que possui um comportamento dinâmico, sobre o
qual atuamos a fim de obtermos o controle de uma determinada
variável ou produto. Um processo denota uma operação ou uma série
de operações sobre materiais sólidos ou fluidos, na (s) qual (is) se busca
conseguir que estes materiais se mantenham em um estado de
utilização adequado a uma qualidade preestabelecida. Exemplo: água
de alimentação de uma caldeira, sistema de óleo lubrificante de um
motor Diesel, etc.
• Variável manipulada (manipulated variable )- É o agente físico que
recebe a ação do controlador e altera o meio controlado. Por exemplo,
numa caldeira é a vazão de água de alimentação.
• Variável controlada (controlled variable) - É o agente físico (variável) que
se deve manter em um valor desejado. Exemplo: no controle de uma
caldeira pode ser o nível de água do tubulão, a pressão de vapor, ou a
combustão.
•
Variável secundária - é o agente físico (variável) mais próximo da
variável controlada e que de forma instantânea interfere na mesma. No
caso do controle de uma caldeira, é a vazão de vapor produzida.
• Variável de entrada (command variable) - É o valor emitido pelo
elemento de ajuste do setpoint para o comparador.
• Valor de referência (set-point) - É o valor com o qual se pretende manter
a variável controlada. Também é chamado de valor desejado.
• Meio controlado – É a energia ou material do processo no qual a
variável é controlada. Exemplo: no sistema de água de alimentação de
uma caldeira, é a água; no sistema de óleo lubrificante de um motor
Diesel, é o óleo lubrificante.
• Agente de controle – É o elemento que altera o meio controlado, é a
energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma
condição ou característica. Exemplo: em um trocador de calor a vapor o
agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é o vapor e no
controle de uma caldeira é a água de alimentação.
• Perturbação - É um sinal indesejável, pois tende a desestabilizar o
sistema e, conseqüentemente, alterar o valor da variável comandada.
• Sensor - É o elemento de um instrumento de medição que detecta o
valor da variável que deve ser controlada. A informação mensurada é
enviada ao comparador do controlador. O sinal emitido, às vezes,
precisa ser amplificado ou convertido.
• Detetor (detector) – Dispositivo ou substância que indica a presença de
um fenômeno, se necessariamente fornecer um valor de uma
substância.
• Conversor (converter) - Tem a função de converter o sinal recebido.
Pode converter sinal elétrico em pneumático; elétrico em hidráulico;
analógico em digital; e vice-versa. Normalmente são instalados entre o
sensor e o comparador, ou entre o controlador e o elemento final de
controle.
• Transdutor de medição (measuring transducer) – Dispositivo que
fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação determinada
com a grandeza de entrada. Esse termo é empregado, por um grande
número de técnicos, no lugar de conversor.
• Comparador - Sua função é comparar o valor medido com o valor
desejado, gerando um sinal de erro, cuja amplitude é proporcional à
diferença algébrica entre o sinal de referência (setpoint) e o sinal de
realimentação (feedback).
• Controlador (controller) - Sua função é gerar um sinal de controle, o
qual irá posicionar o elemento final de controle, a fim de manter a
variável controlada dentro do valor desejado. Esse sinal varia de
amplitude em função do sinal de erro enviado pelo comparador. É
desejado que esta ação do controlador seja feita no menor tempo
possível.
• Transmissor (transmitter) – Dispositivo que detecta uma variável de
processo por meio de um elemento primário e que tem um sinal de
saída cujo valor é proporcional ao valor da variável controlada.
• Amplificador de sinal - Tem a função de amplificar o sinal do sensor ou
do controlador, quando esse é muito baixo, garantido uma informação
precisa. Podem ser pneumáticos (bico palheta), elétricos e eletrônicos.
• Sinal de desvio ou de controle (deviation) - É o valor resultante da
equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável
controlada medido. Também denominado sinal de erro.
• Atuador (actuator) - É a parte do elemento final de controle, que
recebe o sinal de acionamento do transdutor. Pode ser pneumático ou
elétrico.
SIMBOLOGIA APLICADA
• objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos
utilizados para representar as configurações das malhas de
instrumentação
• No Brasil a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de
sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para
representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas
malhas de instrumentação, que está em conformidade com a S.5.1
(Instrumentation Symbols and Identification) da Instruments Society of
America (ISA).
• De acordo com a norma, cada instrumento ou função programada será
identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente
1º GRUPO DE LETRAS
LETRA
2º GRUPO DE LETRAS
VARIÁVEL MEDIDA
1ª Letra
Modificadora
A
Análise
B
Chama
C
Condutividade elétrica
D
Densidade
E
Tensão
F
Vazão
G
Escolha do usuário
H
Manual
I
Corrente elétrica
J
Potência
Varredura,
Seleção. manual
K
Temporização
Taxa variação
com o tempo
L
Nível
M
Umidade
N
Escolha do usuário
O
Escolha do usuário
P
Pressão
FUNÇÃO
Passiva ou de
Informação
Alarme
Ativa ou de Saída
Modificadora
Controlador
Diferencial
Sensor
Razão
Visão direta
Alto
Indicador
Estação de controle
Lâmpada piloto
Baixo
Instantâneo
Médio, Intermediário
Orifício de restrição
Conexão para teste
Integração,
Totalização
Q
Quantidade
R
Radiação
S
Velocidade,
Freqüência
T
Temperatura
U
W
Multivariável
Vibração, Análise
mecânica
Peso, Força
X
Não classificada
Eixo dos X
Y
Estado, Presença,
Seqüência de
eventos
Eixo dos Y
Relé, Conversor
Solenóide
Z
Posição, Dimensão
Eixo dos Z
Acionador, Atuador,
Elemento final de controle.
V
Registrador
Segurança
Chave
Transmissor
Multifunção
Válvula, Damper
Poço ponta de prova
Não classificada
Não classificada
Não classificada
Simbologia para representação de sinais de
controle.
A tabela de símbolos gerais utilizados para representar
instrumento ou função programada, de acordo com o
tipo e sua localização.
• Para representar um diagrama P&I de malha de controle, empregam-se
símbolos que são definidos na norma S 5.1 da ISA. Essa Norma
considera que cada instrumento ou função programada será
identificado por um conjunto de letras e um conjunto de algarismo.
• A primeira letra do conjunto de letras indica a variável
medida/controlada e as letras subsequentes indicam a função que o
instrumento desempenha na malha de controle. O primeiro algarismo
indica a área/fábrica e o segundo indica a malha à qual o instrumento
ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a
identificação, poderá ser acrescido um sufixo.
• Outras observações sobre essa Norma:
• a) Uma letra tipo “escolha do usuário” é utilizada para cobrir
significados não listados e que serão utilizados de maneira repetitiva
em um projeto particular. O significado da letra deve ser definido na
legenda.
• b) A letra “A” cobre todos os tipos de analisadores. Recomenda-se que
o tipo de análise realizado pelo instrumento seja definido fora do
círculo de identificação.
• c) A função passiva “G” aplica-se a instrumentos ou dispositivos que
fornecem uma indicação visual não calibrada, como os visores de vidro
e monitores de TV.
• d) No caso de diagramas P&I, se necessário, as funções associadas com
o uso da letra subsequente “Y” são definidas fora do circulo de
identificação.
• e) Os termos modificadores “alto”, “baixo”, “médio” ou
“intermediário” correspondem a valores das variáveis medidas, e não
aos valores dos sinais correspondentes, a não ser que seja indicado de
outra forma.
• f) Os termos modificadores “alto”, “baixo”, quando aplicados a
posições de válvulas e outros dispositivos abre-fecha (on-off), são
definidos como se segue:
• I - “alto” denota que a válvula está na posição completamente
aberta ou se aproxima desta, e
• II - “baixo” mostra que ela está na posição totalmente fechada ou se
aproxima desta.
• g) O termo “registrador” aplica-se a qualquer forma de
armazenamento permanente de informações que permite
recuperação por quaisquer meios;
• h) A primeira letra “V” (vibração ou análise mecânica) desempenha o
mesmo papel em monitoração de máquinas que a letra “A”
desempenha em análise de maneira geral.
• i) Exceto para a variável vibração, espera-se que as demais variáveis
de análise mecânica sejam definidas fora do círculo de identificação.
Símbolos gráficos da norma ISA S5.1 para representação de uma malha de controle em
diagrama P&I.
T
VARIÁVEL
(controlada ou
medida)
RC
210
FUNÇÃO
(registrador
controlador)
IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL
02
ÁREA DE ATIVIDADE
N.º SEQUENCIAL DA MALHA
(planta ou fábrica)
IDENTIFICAÇÃO DA MALHA
onde:
T
= Variável medida : TEMPERATURA;
R
= Função passiva ou de informação: REGISTRADOR;
C
= Função ativa ou de saída: CONTROLADOR;
210
= Área de atividade ou fábrica, onde o instrumento ou função programada atua;
02
A
= Número seqüencial da malha;
= Sufixo.
TABELA – exemplo de identificação do instrumento TRC-2102A
A
S
U
F
I
X
O
FLUXOGRAMA DE PROCESSO E INSTRUMENTAÇÃO
(P&I):
ATM
SP
HV 29
103
LIC
LY
MV
FIC
SPR
PV
MV
PV
HV 12
103B
LG
103A
HV 15
103B
HV 11
103B
FCV
103A
TQ1 103
LIT
103A
HV 13
103B
H
HV 04
103B
HV 24
103C
HV 23
103C
HV 05
103B
FIT
103A
HV 03
103B
FI
HV 10
103B
I
L
HV 06
103B
B2 103A
FI
103B
103C
HV 07
103B
P
IA
HV 08
103B
FE
103B
HV 09
103B
HV 02
103B
RS1 103
HV 22
103C
B1 103B
Fig.10: exemplo de um fluxograma de processo e instrumentação
Nos Fluxogramas de Processo e Instrumentação deve
estar contido:
• As tubulações principais com indicação do fluido contido, o sentido do
fluxo e suas dimensões principais.
• Todos os vasos (tanques, tambores, vasos, reatores) com indicação das
características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e
pressão de trabalho, número de bandejas, etc.
• As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança,
alívio, etc.
• Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores,
filtros, trocadores de calor, etc.) com indicação das características básicas
como vazão, temperatura, pressão, carga térmica, etc.
• Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua
simbologia e nomenclatura.
Abreviações para especificar o tipo de alimentação:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
AS: ar de alimentação;
IA: ar de instrumento;
PA: ar da planta;
ES: alimentação elétrica;
GS: alimentação de gás;
HS: alimentação hidráulica;
NS: alimentação de nitrogênio;
SS: alimentação de vapor;
WS: alimentação de água.
SISTEMAS DE UNIDADES DE MEDIDAS
Unidades
Métrico
Inglês
MKS
CGS
SI
Comprimento
Jarda (yd)
(0,914 m)
Metro (m)
(39,37 pol.)
(100 cm)
Centímetro (cm)
(2,54 cm = 1 pol.)
Metro (m)
Massa
Slug
(14,6 Kg)
Quilograma (Kg)
(1.000 g)
Grama (g)
Quilograma (Kg)
Força
Libra (lb)
(4,45 N)
Newton (N)
(100.000 dinas)
Dina
Newton (N)
Temperatura
Fahrenheit (ºF)
(9/5 . ºC + 32)
Celsius (ºC)
( 5/9 (ºF – 32))
Celsius (ºC)
Kelvin (K)
K = 273,15 + ºC)
Energia
Pé-libra (ft-lb)
(1,356 joules)
Newton-metro
(N.m) ou Joule (J)
(0,7376 pé-libra)
Dina-centímetro
ou erg
(1 joule = 107
ergs)
Joule (J)
Tempo
Segundo (s)
Segundo (s)
Segundo (s)
Segundo (s)
Fig.11: tabela comparativa entre sistemas de unidades
DEFINIÇÃO DAS UNIDADES DE MEDIDA NO SISTEMA
INTERNACIONAL (SI)
• O Sistema Internacional de Unidades, abreviação SI, é o sistema
desenvolvido pela Conferência Geral de Pesos e Medidas e é adotado
em quase todas as nações industrializadas do mundo. As
correspondências de cada unidade fundamental no SI são:
• METRO: é o comprimento igual a 1.650.763,73 comprimentos de onda
no vácuo, de radiação correspondente à transição entre os níveis 2p10 e
5d5 do átomo de Criptônio - 86.
• SEGUNDO: é a duração de 9.192.631.770 períodos de radiação,
correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado
fundamental do átomo de Césio - 133.
• QUILOGRAMA: é a massa do protótipo internacional do quilograma.
Este protótipo é conservado no Bureau Internacional de Pesos e
Medidas em Sèvre na França.
• NEWTON: é a força que dá a um corpo de um quilograma de massa,
a aceleração de um metro por segundo ao quadrado.
• WATT: é a potência que dá origem à produção de energia na taxa
de um joule por segundo.
• JOULE: é o trabalho realizado quando o ponto de aplicação de uma
força igual a um Newton desloca-se de um metro na direção da
força.
ELEMENTOS PRIMÁRIOS DE MEDIÇÃO
• Instrumentos (medidores) utilizados para fazer a detecção, a
medição, a transmissão e a monitoração das variáveis físicas
envolvidas no sistema ou na malha de controle dos processos, em
especial os instrumentos aplicados ao controle automático.
• O instrumento medidor ou sistema de medição pode ser mecânico,
pneumático, hidráulico, elétrico, eletrônico, ou uma combinação de
quaisquer duas ou mais formas básicas, como os eletromecânicos.
Diagrama de bloco do sistema de medição
• ELEMENTO PRIMÁRIO - Responsável por criar as condições da medição
da variável pelo sensor. É representado por uma placa de orifício.
• DETECTOR - Detecta a variável monitorada e converte a magnitude do
parâmetro para um sinal mecânico ou elétrico.
• CONVERSOR (Transdutor) - Converte o sinal de saída do detector para
um sinal que pode ser usado pelos elementos de controle do processo.
Se o sinal do detector poder ser usado diretamente, não é necessário o
transdutor.
• AMPLIFICADOR - Aumenta a magnitude do sinal da variável detectada.
• INDICADOR - Mostra o valor (sinal) medido da variável do processo.
PRESSÃO
• Quando uma força é aplicada de forma distribuída sobre uma
superfície, dizemos que existe uma pressão exercida nessa
superfície. A pressão p exercida sobre uma superfície é igual ao
quociente da força F aplicada perpendicularmente à área A da
superfície. Para uma mesma força, quanto menor for a área de sua
aplicação, maior será a pressão exercida.
DEFINIÇÕES BÁSICAS
• HIDROSTÁTICA: ciência que estuda as propriedades dos fluidos em
repouso.
• HIDRODINÂMICA: ciência que estuda as propriedades dos fluidos
em movimento.
• FLUIDO: um fluido é uma substância que pode fluir, isto é, escoar
facilmente. O termo “fluido” inclui os líquidos, os gases e os
vapores.
• SÓLIDO: toda matéria cuja forma não muda facilmente quando
submetida a uma força.
• LÍQUIDOS: toda matéria cuja forma pode ser mudada facilmente
quando submetida a uma força, porém sem mudar o volume. Os
líquidos oferecem uma resistência muito grande à compressão.
• VAPORES E GASES: toda matéria cuja forma e volume podem ser
mudados facilmente quando submetida a uma força. Os gases são
facilmente compressíveis.
• MASSA ESPECÍFICA: também chamada de densidade absoluta é a
relação entre a massa e o volume de uma determinada substância.
É representada pela letra grega ρ (rô) e no SI pela unidade kg/m3.
• DENSIDADE RELATIVA: é relação entre a massa específica de uma
substância A e a massa específica de uma substância de referência,
tomadas à mesma condição de temperatura e pressão. A densidade
relativa é adimensional, ou seja, não apresenta unidade de medida
e pode ser indicada por “dr”.
• DENSIDADE RELATIVA: é relação entre a massa específica de uma
substância A e a massa específica de uma substância de referência,
tomadas à mesma condição de temperatura e pressão. A densidade
relativa é adimensional, ou seja, não apresenta unidade de medida
e pode ser indicada por “dr”.
• PESO ESPECÍFICO: é a relação entre o peso e o volume de uma
determinada substância. É representado pela letra grega γ (gama) e
no SI pela unidade kgf/m3.
UNIDADES DE PRESSÃO
• Força - expressa em Newton (símbolo N) e é definida como a força
que comunica à massa de um quilograma a aceleração de um metro
por segundo ao quadrado na direção da força (N = Kg . m/s2).
•
Área - expressa em metro quadrado (símbolo m2) e é definida
como a área de um quadrado cujo lado tem um metro de
comprimento.
• Pressão - expressa em Pascal (símbolo Pa) e é definida como a
pressão exercida por uma força de um Newton, uniformemente
distribuída sobre uma superfície plana de um metro quadrado de
área, perpendicular à direção da força (Pa = N/m2).
• A unidade de pressão usualmente utilizada no sistema métrico
industrial é o kgf/cm2, e no sistema inglês industrial se utiliza o PSI
(lbf/pol2).
FATORES DE CONVERSÃO DE UNIDADES DE PRESSÃO
Kgf/cm2
PSI
bar
atm
mmHg
mmH2O
KPa
Kgf/cm2
1
14,233
0,9807
0,9678
735,58
10.003
98,0665
PSI
0,0703
1
2,036
0,068
51,71
703,29
6,8948
bar
1,0197
14,504
1
0,98692
750,06
10.197
100
atm
1,0332
14,69
1,0133
1
760,06
10.335
101,325
mmHg
0,00136
0,01934
0,00133
0,00132
1
13,604
0,133
mmH2O
0,00010
0,00142
0,00098
0,00009
0,07353
1
0,0098
KPa
0,010197
0,14504
0,01
0,009869
7,50062
101,998
1
Fig.13: tabela fatores de conversão unidades de pressão
MEDIDAS DE PRESSÃO
• Pressão atmosférica é a pressão exercida por uma coluna de ar de
altura igual à espessura da camada sobre a superfície de 1 cm² ao
nível do mar. Eqüivale a 1, 033 kp/cm², aproximadamente 760 mmHg.
• Pressões Absoluta Subtende-se por pressão absoluta a pressão total
ou efetiva de um fluido, ou seja, é a soma das pressões relativas e
atmosféricas.
PRESSÃO ABSOLUTA = PRESSÃO RELATIVA + PRESSÃO ATMOSFÉRICA
Pressão Manométrica ou Relativa
• Pressão Manométrica ou Relativa É a pressão medida em relação à
pressão atmosférica, tomada como unidade de referência, ou seja,
é a pressão indicada por um manômetro.
• MANÔMETRO é o nome genérico dos instrumentos ou dispositivos
medidores de pressão. Estes podem ser mecânicos,
eletromecânicos, elétricos ou eletrônicos.
TIPOS DE PRESSÃO
• PRESSÃO ESTÁTICA é a pressão exercida em um ponto, em fluidos
estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e
produz a mesma força se aplicada em áreas iguais.
h
Fig.16: pontos de medição de pressão estática
• OBS: Caso não haja circulação do fluido, a pressão será a mesma
em todos os pontos do duto. Caso haja circulação, a pressão
estática deverá ser medida, através de um orifício de pressão, com
eixo perpendicular à corrente do fluido, de forma que a medição
não seja influenciada pela componente dinâmica da circulação.
• PRESSÃO DINÂMICA: é a pressão devida à velocidade de um fluido
em movimento em um duto.
Pd = ρ. V2 /2 (N/m2)
• Pd = pressão dinâmica
• ρ = massa específica do fluido (kg/m3)
• V = velocidade do fluido (m/s)
• γ = peso específico do fluido (kgf/m3)
• g = aceleração da gravidade (9,8 m/s2)
• PRESSÃO TOTAL:É a soma das pressões estática e dinâmica
Pressão Estática
Pressão Dinâmica
Fig.17: esquemático para medição de pressão estática, dinâmica e total
Pressão Total
• PRESSÃO DIFERENCIAL: É a diferença de pressão medida em dois
pontos de um duto ou equipamento, também chamado de ΔP
(delta P).
Fig.18: delta P criado em um obstáculo percorrido por um fluido.
ΔP
CLASSIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS MEDIDORES DE
PRESSÃO:
• a) por equilíbrio de uma pressão desconhecida contra uma força
conhecida:
Colunas de líquido (Manômetros de tubo em “U”)
• b) por meio da deformação de um material elástico:
Tubo de Bourdon (em forma de C, espiral ou helicoidal)
Membrana
Fole
• c) por meio de variação de uma propriedade física:
Célula Strain Gauge
Célula Piezoelétrica
• d) d/p cell (célula de pressão diferencial):
Células Capacitivas
MANÔMETRO DE TUBO EM “U”
• constituem-se geralmente em um tubo com determinado
formato, que contém líquido (água, óleo ou mercúrio), havendo
uma escala graduada que relaciona os dois ramos do tubo.
• O manômetro de tubo em “U” é o mais simples e mais barato dos
instrumentos de medição direta de baixas pressões.
• Funcionamento
Um dos ramos do tubo é ligado ao lugar do qual se deseja saber o valor
da pressão. Essa pressão age sobre o líquido, fazendo-o descer em um
dos ramos do tubo e, conseqüentemente, subir no outro ramo. A
altura do líquido deslocado fornece, por meio da escala graduada, uma
indicação direta da pressão diferencial.
ACESSÓRIOS ÚTEIS PARA USO EM MEDIÇÃO DE
PRESSÃO
• Supressor de ruídos:
Ruídos eletromagnéticos inconvenientes podem ser agravantes para
deteriorar o sinal de processo, e neste caso, um supressor comum de
ruídos pode e deve ser utilizado.
• Selagem:
É um artifício para isolar o instrumento
do fluido de medição, permitindo apenas
que a pressão deste possa ser medida.
Potes de selagem.
São reservatórios colocados entre o
processo e o elemento medidor,
isolando-o através da diferença de
densidade existente entre os líquidos
do processo e do selo. A pressão
exercida pelo líquido do processo será
transmitida ao líquido de enchimento
do selo (que é necessariamente mais
denso) e este a levará até a célula de
medição.
• Selo de diafragma
Como o próprio nome diz, o selo
diafragma possui uma cápsula
de diafragma separando a
conexão ao processo da conexão
ao medidor.
Fig.46: ilustrações de selos remotos acoplados a transmissores de pressão eletrônicos
• Válvulas Manifold:
são elementos instalados nas tomadas de impulso de medidores de
pressão diferencial a fim de promover segurança ao instrumento, ao
operador e ao processo, em uma situação de manutenção ou reposição.
É constituído por um bloco contendo três ou cinco válvulas, com
finalidades específicas e correspondentes ao seu posicionamento dentro
das tomadas de impulso.
• A CHAVE DE PRESSÃO – PRESSOSTATO:
são dispositivos que têm como finalidade básica atuar em um processo
informando uma condição anormal de pressão. Um pressostato é
normalmente construído de duas partes: a primeira é a parte sensora e a
segunda é chamada de acionadora. A parte sensora é aquela que recebe
o impulso de pressão direto do processo onde está instalado. Tal impulso
é percebido por um elemento sensor (normalmente uma membrana de
neoprene ou lâmina delgada de aço inoxidável ou ainda latão). Ao
deformar-se irá atuar em sua segunda parte, que é um dispositivo elétrico
(microchaves – microswitch - ou pequenas ampolas de mercúrio).
• PSL – Pressostato de Pressão Baixa:
• Como para o PSL a condição normal é a pressão alta, quando este
estiver alinhado ao processo em regime normal de operação, seu
dispositivo de acionamento será imediatamente atuado. Portanto para
que tenhamos a condição de continuidade elétrica, o PSL deve ser
ligado eletricamente aos pontos COMUM e NORMALMENTE ABERTO
(C + NA).
• PSH – Pressostato de Pressão Alta:
• Pelo já exposto fica fácil entender que o PSH deve ser ligado aos
pontos COMUM e NORMALMENTE FECHADO (C + NF). Certamente, se
é alarme de pressão alta, então a condição de normalidade para este
dispositivo é a pressão baixa.
MEDIDORES DE NÍVEL
É definida como a determinação da posição de uma interface entre
dois produtos, quando estes possuem densidades diferentes.
É a altura de um líquido ou de um sólido, contidos em um recipiente.
• O objetivo da medição do nível é permitir o cálculo do volume ou do
peso
A determinação do nível e o seu controle na industria é importante para:
– a) manter o controle da capacidade dos tanques que tenham um
fluxo constante durante um processo;
– b) determinar constantemente o conteúdo de tanques de
armazenamento visando controle operacional ou de custo.
• Unidades de Nível
a) altura, em centímetro (cm) ou metro (m);
b) volume, em litro (l) ou metro cúbico (m³); e
c) peso, em quilograma (kg) ou tonelada (T).
Tanque cilíndrico vertical.
Tanque cilíndrico horizontal.
Não devemos esquecer que:
•
•
•
•
•
A forma do recipiente freqüentemente determina o tipo de instrumento
necessário para se fazer a indicação do nível.
Um recipiente alto e estreito dá uma indicação mais precisa com relação
ao volume que um recipiente baixo e largo.
Já uma pequena variação no nível de um recipiente baixo e largo
representa maior variação de volume em um sistema controlado (ver
capacitância).
Em um tanque cilíndrico vertical a variação do nível é proporcional à
variação do volume, pois o volume é uniforme.
E que num tanque cilíndrico horizontal o volume não é uniforme,
CLASSIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS MEDIDORES DE
NÍVEL:
• A medição DIRETA é aquela que se faz tendo como referência a
posição do plano superior da substância medida. Ex: visual direta,
como um flutuador, ou pela reflexão de ondas ultra-sônicas ou
eletromagnéticas .
Tecnologia Aplicada
Líquidos
Sólidos
Medição por visores de nível
X
X
Medição por bóias
X
Medição por flutuadores
X
Medição por trenas de imersão
X
Medição por réguas
X
Medição por chaves de nível
X
X
• A medição INDIRETA é aquela em que a determinação do nível se faz
em função de uma segunda variável. Ex: medida de pressão da
coluna hidrostática , da variação de peso do equipamento.
Tecnologia Aplicada
Líquidos
Sólidos
Medição por capacitância
X
X
Medição por empuxo
(deslocador/flutuador)
X
Medição por pressão hidrostática
X
Medição por tubo em U
X
Medição por borbulhamento
X
Medição por ultra-som
X
X
Medição por pesagem
X
X
Medição por chaves de nível
X
X
• SONDA
• Vara, haste ou fita métrica metálica (trena) graduadas em centímetro ou
outra unidade apropriada, que pode ser inserida no tanque ou reservatório;
a verdadeira profundidade (altura) do material é dada pela porção molhada
na sonda.
• RÉGUA OU GABARITO:
• Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente,
para ser introduzida dentro do reservatório onde vai ser medido o nível. A
determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento
marcado na régua, pelo líquido.
• VISORES DE NÍVEL:
• É um método empregado em recipientes abertos ou fechados para os
quais é apropriada a indicação local (visual) do nível do material.
• VISOR DE VIDRO TRANSPARENTE TUBULAR:
• Normalmente é um tubo de vidro simples ou raramente de plástico
especial, com as duas extremidades ligadas por meio de válvulas de
bloqueio ao recipiente que contém o líquido.
Fig.54 imagem de um visor de vidro transparente tubular
VISOR DE VIDRO TRANSPARENTE PLANO:
Este conjunto de espelhos e vidros é então montado em forma de
sanduíche em um corpo rígido com uma seção central circular ou
quadrangular por onde o líquido irá penetrar.
Fig.55 ilustrações de visores de vidro transparente plano
• VISOR DE VIDRO REFLECTIVO OU REFLEX
• construído de forma similar ao tipo transparente (material e forma
geométrica), porém com algumas particularidades. Somente um vidro
é utilizado, sendo montado sobre um corpo de aço carbono, bronze ou
alumínio tendo à sua frente o corpo do espelho e sendo totalmente
fechado na parte traseira.O conjunto é fixado com grampos em forma de
“U” e parafusos na parte frontal.
• BÓIAS OU FLUTUADORES:
• uma bóia flutuando sobre a superfície do líquido acompanha o nível em
que ele se encontra e transmite os movimentos para a parte externa do
tanque caso a altura do produto se altere.
• MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PRESSÃO HIDROSTÁTICA:
• Esta é sem dúvida uma das formas mais usuais de se medir o nível
de um determinado reservatório: fazendo-se a medição indireta
através da pressão exercida pela coluna líquida no fundo do
tanque.
• Este princípio de medição baseia-se na equação de STEVIN para
medição de pressão
P = P0 + ρ . g. h
Onde:
P = Pressão exercida pelo líquido de densidade ρ à altura h.
P0 = Pressão na superfície do líquido cujo nível se quer medir.
ρ = densidade absoluta do líquido.
g = aceleração da gravidade.
h = altura.
• MEDIÇÃO EM TANQUES ABERTOS:
• A faixa de medição do instrumento será dada em função do valor
máximo da altura da coluna líquida e da densidade do líquido
contido no reservatório.
100%
LIT
0%
H L
• MEDIÇÃO EM TANQUES FECHADOS:
• Para uma correta medição de nível a partir deste princípio em
tanques fechados, devemos conectar a câmara de alta do
transmissor ao fundo do tanque e a câmara de baixa à extremidade
superior do tanque.
• Desta forma haverá a compensação da pressão de topo do tanque,
uma vez que a mesma pressão estará aplicada em ambas as
câmaras do transmissor.
100%
Pote de
selagem
LIT
0%
H L
100%
• ELEVAÇÃO DE ZERO:
Pote de
selagem
0%
LIT
H L
100%
POTES DE SELAGEM E
POTES DE DRENAGEM:
LIT
0%
H L
Pote de
drenagem
• MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EMPUXO:
• Todo corpo imerso ou parcialmente imerso em um fluido, recebe a
ação de uma força vertical e ascendente que numericamente
corresponde ao peso do volume do líquido deslocado pelo corpo.”
E = ρ . g . Vim,
E = força de empuxo
ρ = massa específica do fluido
g = aceleração da gravidade no local
Vim = volume imerso do corpo
• O DESLOCADOR (Displacer):
• Quanto maior for o nível, maior será o volume imerso do flutuador e
pelo princípio de Arquimedes, maior será o empuxo por ele sofrido.
• O empuxo gera um pequeno movimento no flutuador que, por sua
vez, é ligado a uma haste que sofre uma pequena rotação. Esta haste é
ligada a um tubo que se torciona em função daquela rotação.
Conexão TB
Conexão LL
Conexão TL
Conexão LB
• MEDIÇÃO DE NÍVEL POR BORBULHADOR:
• determinação do nível de líquidos viscosos e/ou corrosivos, bem
como o de quaisquer líquidos, sem que o transmissor entre em
contato com o fluido de medição.
• Neste sistema o nível é determinado em função da pressão
necessária para provocar borbulhamento do líquido. Utilizado em
tanques abertos para líquidos que apresentem densidade constante.
PIT
H
L
AS
Reservatório
Válvula
reguladora de
vazão
Medidores de Nível Elétricos
• Estes medidores de nível são de dois tipos:
– a) condutivos, e
– b) capacitivo.
• Medidores de nível por condutividade elétrica
• Permanecendo o líquido em contato com o eletrodo, passa uma
corrente elétrica pelo circuito. Baixando o nível, o circuito se desliga no
instante em que o liquido não alcança mais o eletrodo. Como o relé
controlador faz distinção entre estas duas condições, ele liga ou desliga
a operação de uma válvula de controle, atuando como um controlador
on-off, acende um sinal luminoso ou soa um alarme
• Medidores de Nível Capacitivos
• A variação de capacitância causa uma variação correspondente na
freqüência de um oscilador, que produz um sinal por meio do circuito
eletrônico, o qual indica a condição de nível; máximo ou mínimo, ou ativa e
desativa o dispositivo apropriado de controle.
• Medidor de Nível Radioativo
• o material radioativo é montado num lado do tanque de armazenamento
e o detector é montado no lado oposto. O sistema é instalado para o nível
requerido pelo processo. Quando o material no tanque de
armazenamento sobe ao nível dos raios radioativos, ou acima, intercepta
os raios ao detector. O relé no detector fecha o contato interrompendo o
fornecimento de material para o tanque.
• MEDIÇÃO DE NÍVEL POR EFEITO ULTRASÔNICO OU ECOSSÔNICO:
• A montagem das unidades emissora e receptora é feita no topo do
tanque de medição. A unidade emissora envia um trem de pulsos de
ondas sônicas, que serão refletidas na superfície do líquido. Parte desta
onda refletida será captada pela unidade receptora.
• O intervalo de tempo entre o envio do trem de pulsos e sua recepção é
diretamente proporcional à distância percorrida pela onda, e, portanto
relaciona-se diretamente com o nível do tanque.
•
•
•
•
•
h = H – (v . t / 2)
H = altura do tanque.
h = nível do tanque.
v = velocidade do som.
t = tempo medido
H – h = parte vazia do tanque.
H
h
• MEDIÇÃO DE NÍVEL POR PESAGEM:
• consiste basicamente na instalação de células de cargas nas bases
de sustentação do silo cujo nível se deseja medir.
• Célula de carga é um sensor constituído por fitas extensiométricas
(STRAIN-GAUGES) fixadas adequadamente em um bloco de aço
especial com dimensões calculadas para apresentar uma
deformação elástica e linear quando submetido a uma força.
• Esta deformação é detectada pelas fitas extensiométricas através
da variação de sua resistência elétrica.
CHAVES DE NÍVEL:
• Têm por objetivo acusar uma condição extrema no armazenamento do
produto. Esta condição extrema visa sempre evitar que haja ou
material em excesso no reservatório o que ocasionaria transbordo, ou
falta de material o que faria, por exemplo, uma bomba cavitar
(trabalhar em vazio).
• Chaves de nível vibratória;
• Chaves de nível tipo bóia;
• Chaves de nível tipo pás rotativas;
• Chaves de nível tipo eletrodos;
• Chaves de nível do tipo ultrasônico;
• Chaves de nível do tipo capacitivo, etc.
• Chave de Nível Vibratória:
• Seu funcionamento baseia-se na vibração da haste metálica por um
cristal piezoelétrico colocado em seu interior, sendo a saída ON/OFF
acionada quando o produto toca a haste.
• Chave de Nível Tipo Bóia:
• Esta chave de nível foi desenvolvida para aplicações que necessitam
detectar e controlar o nível de tanques ou reservatórios onde são
armazenados materiais líquidos como água, produtos químicos
(agressivos ou não), óleos, entre outros.
• Chave de Nível tipo Pás Rotativas:
• É um instrumento eletromecânico utilizado na detecção e controle de
nível de silos contendo materiais sólidos como granulados, minérios,
brita, entre outros.
• Chave de Nível Tipo Eletrodos:
• Instrumento desenvolvido para a detecção e controle de nível de
tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos
como água ou outros produtos condutivos.
• Hastes metálicas encontram-se em contato com o processo e o
funcionamento é baseado na condutividade elétrica:
• Chave de Nível Tipo Ultrasônico:
• Seu funcionamento é baseado na emissão de pulsos de ultra-som
entre dois pontos do chanfro da haste. Estes pulsos são transmitidos
somente quanto o líquido preenche o chanfro. Neste momento um
circuito eletrônico detecta a presença do líquido e aciona a saída
(contato elétrico).
• Chave de Nível Tipo Capacitivo:
• funcionamento é baseado na variação de capacitância que ocorre
quando a haste detecta produtos com constantes dielétricas
diferentes da do ar. Um circuito eletrônico é responsável por
efetuar esse monitoramento. No momento em que o produto entra
em contato com a haste, o contato elétrico da saída é acionado.
Este dispositivo possui como principal
vantagem o fato de ser uma chave de
nível extremamente versátil uma vez que
pode ser aplicada na detecção e controle
de nível de tanques, silos ou reservatórios
contendo praticamente qualquer tipo de
produto como líquidos ou sólidos.
VAZÃO
• É a quantidade de fluido, líquido, gás ou vapor, que passa pela
seção transversal reta de um duto, em uma unidade de tempo.
• Vazão volumétrica pode ser medida em m3/h, ou outra medida que
represente volume (mm3, cm3, litros, galões, pés-cúbicos), por uma
unidade de tempo.
• Vazão mássica ou gravimétrica pode ser medida em Kg/h, ou outra
medida que represente massa (g, lb, toneladas), por uma unidade
de tempo.
A força, devido à pressão sobre a superfície do líquido, é igual à pressão
multiplicada pela área superficial.
F=PxA
Onde:
F = força
P = pressão
A = área
RELAÇÕES MATEMÁTICAS:
• Vazão em volume:
• A vazão em volume (Q) é dada pela relação entre o volume escoado V e
o tempo t que esse volume levou para escoar:
Q=
V
t
A vazão que flui por um duto de área de seção transversal S faz com que
uma partícula do fluido percorra uma distância h entre os pontos a e b
do duto num dado tempo t
Q
S
v
a
b
h
v=
h
t
• No mesmo tempo t que a partícula de fluido levou para se
deslocar do ponto a para o ponto b, o volume V do fluido que
passou pelo ponto a preenche toda a parte do duto
compreendida entre os pontos a e b e é dado por:
•
V=S.h
Q=
V
t
Q=
S.h
h/v
Q=S.v
• Vazão em massa:
• A vazão em massa (W) é dada pela relação entre a massa escoada
m e o tempo t que essa massa levou para escoar:
W=
m
t
massa específica (ρ) é a relação entre a massa e o volume
ρ=
como
m
V
então,
V
t
=Q
m=ρ.V
temos que,
logo,
W=
ρ.V
t
W=ρ.Q
MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE VAZÃO:
• Medição por pressão diferencial (geradores de ΔP):
• Placa de Orifício;
• Orifício Integral;
• Tubo de Venturi;
• Bocal de Vazão;
• Tubo de Pitot;
• Tubo Annubar.
•
•
•
•
Medição por área variável:
Rotâmetros.
Medição por impacto do fluido:
Turbina.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Medição por tensão induzida:
Eletromagnético.
Medidores mássicos:
Efeito Coriólis;
Efeito Térmico.
Medição por deslocamento positivo:
Disco de nutação;
Pistão oscilante;
Medidor rotativo.
Medição por ultra-som:
Efeito Doppler;
Por tempo de trânsito.
Medição em canais abertos:
Vertedores e Calha Parshall
Medição através de vórtices:
Vórtex.
PROPRIEDADES DOS FLUIDOS:
• Associadas à medição de vazão, outras variáveis – chamadas
“variáveis de influência” – provocam desvios de leitura na maioria
dos medidores.
• A pressão e a temperatura são as principais responsáveis pelas
alterações nas características dos fluidos. Uma vez conhecidas e
quantificadas as alterações (provocadas pela pressão e pela
temperatura nas propriedades dos fluidos) que interagem com o
medidor de vazão, os efeitos podem ser corrigidos e os erros
eliminados.
• Os estados possíveis de um fluido são o líquido e o gasoso
• Os fluidos podem estar em uma das três fases (gás, vapor ou
líquido) dependendo das condições de pressão e temperatura.
• LÍQUIDOS:
A densidade e a viscosidade são importantes propriedades dos
líquidos, considerando que ambas interagem com os medidores de
vazão.
• GASES:
As principais características dos gases, diretamente relacionadas com a
medição de vazão, são: a densidade, a viscosidade e o coeficiente
isentrópico k (=Cp/Cv).
VISCOSIDADE DOS LÍQUIDOS:
• Viscosidade Absoluta ():
• É resistência que o fluido oferece ao escoamento.
Ao aplicarmos uma força F sobre a
placa móvel de área A, esta deslizará
uniformemente sobre a placa fixa a
uma velocidade uniforme v.
onde:
 = viscosidade absoluta do fluido (Pa .s)
F = força aplicada à placa móvel (N)
e = espessura da camada fluida (m)
A = área da placa móvel (m2)
v = velocidade da placa móvel (m/s)
=
F.e
A.v
Princípios Físicos
• A velocidade de um líquido escoando de uma abertura no fundo de
um tanque pode ser expressa pelo teorema de TORRICELLI,
• “a velocidade é igual a raiz quadrada do produtos de duas vezes a
constante gravitacional, vezes a altura do líquido, vezes a sua
densidade.”
Onde:
v = velocidade
g = constante gravitacional.
h = altura do líquido.
δ = densidade do líquido
• De acordo com a Lei da Continuidade, a vazão de um fluido em
movimento, dentro de uma tubulação, é igual em todos os seus
pontos. Quando se diminui a seção transversal em um dos pontos
da tubulação, a velocidade de escoamento naquele ponto aumenta.
• O princípio de BERNOULLI estabelece que “a pressão em um fluido
escoando é menor quando a velocidade de escoamento for maior e
será maior quando a velocidade for menor.”
Número de Reynolds
• a) escoamento laminar - oferece pouca resistência e ocorre em
baixa velocidade (escoamento viscoso).
• b) escoamento turbulento - quando o movimento do fluído for
irregular e desordenado e ocorre em alta velocidade.
• O valor numérico destas quatro grandezas é conhecida como
número de Reynolds (R). Este é um numero não dimensional e
dado pela expressão:
A natureza do fluxo de um fluído depende
a) do diâmetro do tubo (D);
b) da densidade (δ);
c) da viscosidade (μ ); e
d) da velocidade de escoamento (v).
O escoamento lâminas ocorre com o número de Reynolds inferior a
2000, e o escoamento turbulento apresenta um número de Reynolds
acima de 4000.
• Coeficiente de Descarga
• O coeficiente de descarga é a relação entre a descarga real através
do medidor e a descarga ideal.
• Coeficiente de Velocidade
• O coeficiente de velocidade é a razão entre velocidade média real
na seção reta de um fluxo e a velocidade média ideal que ocorreria
se não houvesse atrito. Assim temos:
• Coeficiente de Contração
• Coeficiente de contração é a relação entre a área da seção
contraída de um fluxo e a área da abertura através da qual o fluido
se escoa.
Medidores de vazão do tipo pressão diferencial
• Caracterizam-se por possuir uma restrição na linha de fluxo. Junto à
restrição haverá um aumento da velocidade do fluido e em
conseqüência uma queda de pressão, produzindo assim a pressão
diferencial, que varia com a quantidade que escoa pelo tubo.
PLACA DE ORIFÍCIO:
• Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma
pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o
da placa de orifício.
• Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada
perpendicularmente ao eixo da tubulação.
ORIFÍCIO INTEGRAL:
• O fluido a ser medido flui através da câmara de alta pressão do
transmissor passando pelo orifício integral e atravessando a câmara de
baixa pressão. Com isto, a pressão à montante é aplicada no lado de
alta e a pressão à jusante do orifício é aplicada ao lado de baixa pressão
do transmissor. Este P é medido pelo instrumento e convertido em
sinal telemétrico.
cápsula do diafragma
orifício integral
Manifold tubo em “U”
câmara do diafragma
câmara de alta
Tubo Venturi
• é um outro tipo de elemento primário que produz uma pressão
diferencial empregada para medir a vazão em tubulações. São
usados nas medições de escoamento de polpa de papel, de líquidos
com cristais, de esgotos e de água.
b
a
c
Cone de entrada (a): destinado a aumentar progressivamente a velocidade
do fluido;
Garganta (b): onde é feita a medição da baixa pressão;
Cone de saída (c): destinado a diminuir progressivamente a velocidade do
fluido.
BOCAL DE VAZÃO:
• O perfil de entrada é projetado de forma à guiar a veia fluída
até atingir a seção mais estrangulada do elemento de
medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou
pseudoelíptica (projeto ISA).
Tubo Pitot
• Mede a pressão estática de um fluido em movimento quando o
fluxo é turbulento.
• Um tubo Pitot possui duas tomadas para medir as pressões:
• uma delas, com abertura frontal, montada em direção do fluxo (a
montante), e fornecendo o ponto de impacto ou de alta velocidade
que reage à pressão total (estática ou cinética).
• a outra com aberturas radiais na parte cilíndrica (a jusante do nariz),
ou seja, perpendicular ao eixo do fluxo reagindo apenas à baixa
pressão, ou pressão estática.
tubo estático de Pitot mede apenas a
velocidade do ponto de impacto e
não a velocidade média do fluxo.
ANNUBAR:
• O annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que
ocupa todo o diâmetro do tubo. O annubar é projetado para medir a
vazão total, de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão
diferencial.
MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO CONSTANTE
• São medidores utilizam o mesmo princípio dos medidores de
pressão diferencial, isto é, a relação entre energia cinética e energia
de pressão.
• ROTÂMETROS
• No medidor de área variável, a área da restrição se modifica à
medida em que muda a vazão e o diferencial de pressão permanece
constante. A quantidade de fluido (vazão) é uma proporção linear
da área do orifício.
• Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes.
• 1) Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado
verticalmente na tubulação em que passará o fluido que queremos
medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para
cima.
• 2) No interior do tubo cônico teremos um flutuador que se moverá
verticalmente, em função da vazão medida.
• É um medidor que possui um flutuador colocado dentro de um
tubo de diâmetro variável. Este tubo é rosqueado ou provido de
flanges para montagem em posição vertical, diretamente na linha
de escoamento do fluido. A extremidade de diâmetro menor está
na parte inferior e é a entrada do fluido. A folga ou o espaço
anular, que fica entre o diâmetro interno do tubo e o flutuador e
que aumenta na extensão do tubo, forma um orifício de área
variável.
Tipos de Flutuadores:
Ponto de leitura
Ponto de leitura
Ponto de leitura
Esférico - Para baixas vazões e pouca
precisão; sofre uma influência
considerável da viscosidade do fluido.
Cilíndrico com Borda Plana - Para
vazões médias e elevadas; sofre uma
influência média da viscosidade do
fluido.
Cilíndrico com Borda Saliente de Face
Inclinada para o Fluxo - Sofre menor
influência da viscosidade do fluido.
Ponto de leitura
Cilíndrico com Borda Saliente contra o
Fluxo - Sofre a máxima influência da
viscosidade do fluido.
Material do Flutuador:
O material mais empregado nos flutuadores é o aço inox 316 , no entanto,
na indústria, para satisfazer outras exigências tais como resistência à
corrosão, abrasão e outras, utilizam-se outros tipos de materiais
Instalação:
Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido cuja
vazão se quer medir, de maneira que o fluido seja dirigido de baixo para
cima. Ele pode ser colocado diretamente na tubulação ou em derivação
como indicado na ilustração ao lado e que se considera como ideal.
É instalado numa linha de “by-pass” e um sistema
de válvulas é utilizado de tal forma que garanta o
funcionamento do processo mesmo que o
rotâmetro tenha que ser retirado para
limpeza ou manutenção.
Medição por impacto do fluido:
• TURBINAS:
• Consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso
numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo à direção
do fluxo. O rotor é acionado pela passagem do fluido sobre as
palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à
velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do
volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor
detecta o movimento do rotor.
Instalações Típicas:
Medição por tensão induzida:
• Funcionamento destes medidores baseia-se no fenômeno da
indução eletromagnética. Um condutor elétrico, movendo-se com a
velocidade V, perpendicularmente a um campo magnético de
indução B, produz uma f.e.m.
• É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de
medição.
• O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores
mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão.
• Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias
químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias.
Fig.141: fotos de medidores de vazão eletromagnéticos
MEDIDOR DE VAZÃO ULTRA-SÔNICO
• Um feixe de ondas sonoras estreito (na faixa acústica ou na ultrasônica) lançado através de um fluido em movimento sofre um efeito
de arrastamento.
• Este tipo de medidor tem uma precisão melhor que a placa de orifícios
e não introduz qualquer obstrução, identicamente ao medidor
eletromagnético.
Funcionamento
A onda ultra-sônica, enviada em
pulsações, atravessa o fluido duas
vezes, após reflexão na parede
oposta. Como a onda é arrastada
pelo movimento do líquido, o
percurso total e a atenuação da
onda dependem da velocidade do
fluido.
TEMPERATURA
• A temperatura é uma das variáveis de processo mais importantes
na indústria de processamento. Praticamente todas as
características físico-químicas de qualquer substância alteram-se de
uma forma bem definida com a temperatura.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dimensões (comprimento, volume);
Estado físico (sólido, líquido, gás);
Densidade;
Viscosidade;
Radiação térmica;
Reatividade química;
Condutividade;
pH;
Resistência mecânica;
Maleabilidade;
Ductilidade.
• CONCEITOS:
• TEMPERATURA é uma propriedade da matéria relacionada com o
movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um
corpo.
• Todas as substâncias são constituídas de átomos que por sua vez se
compõem de um núcleo e um envoltório de elétrons.
• ENERGIA TÉRMICA de um corpo é a somatória das energias
cinéticas dos seus átomos e, além de depender da temperatura,
depende também da massa e do tipo de substância.
• CALOR é a energia que se transfere de um corpo para o outro por
diferença de temperatura.
• TERMOMETRIA significa “medição de temperatura” e é o termo
mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a criometria
que são casos particulares de medição.
• PIROMETRIA é a medição de altas temperaturas, na faixa onde os
efeitos da radiação térmica passam a se manifestar.
• CRIOMETRIA é a medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas
próximas ao zero absoluto de temperatura.
FORMAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR:
• CONDUÇÃO (sólidos): transferência de calor por contato físico. Um
exemplo típico é o aquecimento de uma barra de metal.
• CONVECÇÃO (líquidos e gases): transmissão ou transferência de
calor de um lugar para o outro pelo deslocamento de material.
Quando o material aquecido é forçado a se mover, existe uma
convecção forçada. Quando o material aquecido se move por
diferença de densidade, existe uma convecção natural ou livre.
• RADIAÇÃO (sem contato físico): emissão contínua de energia de um
corpo para outro, através do vácuo ou do ar (melhor no vácuo que
no ar, pois no ar é parcialmente absorvida). A energia radiante
possui a forma de ondas eletromagnéticas e propagam-se à
velocidade da luz.
ESCALAS DE TEMPERATURA:
• Um dos primeiros requisitos para a medição de temperatura é
estabelecer uma escala a ser usada no instrumento de indicação, registro
ou controle.
• As principais unidades de temperatura são:
• a) Celsius (°C), que divide o intervalo de temperatura em 100 partes ou
graus, sendo o 0ºC o ponto de congelamento da água e 100ºC o ponto de
ebulição;
• b) Fahrenheit (°F), que divide o intervalo de temperatura, em 180 partes,
ou graus, sendo 32ºF o ponto de congelamento da água e 212ºF o ponto
de ebulição;
• c) Kelvin (°K), que define uma escala absoluta de temperatura, sendo o
zero absoluto (0ºK) a temperatura teórica mais baixa, ou seja, aquela em
que cessa todo o movimento molecular e, portanto não existe mais calor;
• d) Rankine, que divide a escala de temperatura semelhante a Fahrenheit,
e 491,7ºR eqüivale a temperatura de congelamento da água e 671,7°R a
temperatura de ebulição da água.
• Para converter
• Graus Kelvin (°K) em graus Celsius (°C), subtrai-se -273,2 de °K
• Graus Celsius (°C) em graus Fahrenheit (°F), aplica-se a equação
9
°F = ------- . ( °C + 32) ou °F = 1,8 . °C + 32
5
• Graus Fahrenheit (°F) em graus Celsius (°C), aplica-se a fórmula
5
°C = ------- . ( °F - 32)
9
• Graus Fahrenheit (°F) em graus Rankine (°R), aplica-se a fórmula:
°R = °F + 459,7
Gráfico comparativo entre as escalas de temperatura
ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE
TEMPERATURA:
• A parte crítica da especificação de um sistema de medição de
temperatura, dentre os muitos tipos existentes, se concentra na escolha
do sensor mais apropriado e do dispositivo de proteção do mesmo.
• 1 - Faixa de Temperatura:
• Na prática industrial a medição de temperatura é efetuada em uma
gama muito extensa, desde temperaturas criogênicas abaixo de 200ºC até alguns milhares de graus.
• 2 – Precisão e Repetibilidade:
• A precisão e a repetibilidade variam bastante em função do tipo de
sensor, estando muitas vezes o mesmo tipo, disponível em
diferentes classes.
• 3 – Proteção:
• De forma geral, os sensores de temperatura são mecanicamente
delicados e incapazes de resistir quando expostos diretamente às
condições agressivas de muitos processos.
• 4 – Tempo de Resposta:
• Tempo de resposta, Tr, é o tempo que o sensor leva para reagir a
uma variação da temperatura do meio que está sendo medido,
entrando em equilíbrio com a nova temperatura deste.
CLASSES DE MEDIDORES DE TEMPERATURA:
1ª Classe: Compreende os instrumentos em que o elemento sensor
está em contato com o meio em que se quer medir a temperatura.
• Termômetros de dilatação de sólidos – termômetros bimetálicos;
• Termômetros de dilatação de líquidos:
– Termômetros de vidro;
– Sistemas bulbo capilar;
• Termômetros de resistência – RTD;
• Termistores;
• Termopares
• 2ª Classe: Compreende os instrumentos em que o elemento sensor
NÃO está em contato com o meio em que se quer medir a
temperatura.
• Pirômetros à radiação total;
• Pirômetros à radiação parcial (monocromáticos);
• Pirômetros óticos.
TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE SÓLIDOS
(TERMÔMETROS BIMETÁLICOS):
• Quando uma lâmina de metal é aquecida, a dilatação provoca o
aumento de seu comprimento
α metal A > α metal B
metal A
metal B
Fig. 145: ilustração da curvatura característica de um bimetálico aquecido
• O termômetro bimetálico é muito usado para medição de
temperatura em instrumentos de campo.
• O sensor é enrolado na forma de espiral ou helicoidal e
acondicionado em um tubo protetor ou poço, acoplado ao processo
por meio de rosca ou flange.
• O movimento provocado pela dilatação desigual das lâminas é
transmitido a um ponteiro que se desloca sobre uma escala.
Fig. 146: imagem de um termômetro bimetálico industrial
TERMÔMETROS DE DILATAÇÃO DE LÍQUIDOS:
• Os termômetros de dilatação de líquido baseiam-se na lei de
expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de
um recipiente fechado.
TERMÔMETRO DE VIDRO:
Este termômetro consta de um bulbo de vidro ligado a um tubo capilar,
também de vidro, de seção uniforme e fechado na parte superior
Câmara de expansão
Tubo de vidro
Escala graduada
Líquido de enchimento
Poço protetor
Bulbo
• Líquidos mais utilizados:
Recomendações na instalação:
• Não utilizar nos pontos em que haja mudanças bruscas de
temperatura, pois poderia trincar o capilar de vidro.
• Para evitar erros, devido a temperatura ambiente, o bulbo deverá
estar completamente imerso.
• Instalar o bulbo dentro de um poço metálico para proteção
mecânica, resistência à corrosão e permitir retirada em operação.
• O bulbo do termômetro deve ser instalado na mesma direção e
sentido oposto ao do fluxo, a fim de que a vazão média do fluido
seja suficiente para dar uma rápida transferência de calor.
• SISTEMAS BULBO CAPILAR:
• Constam de um pequeno reservatório metálico, o bulbo, conectado
por meio de um capilar a um tubo de Bourdon (elemento sensor)
similar ao dos manômetros.
TUBO DE BOURDON
PONTEIRO
LINK
SETOR
CAPILAR
LÍQUIDO
BULBO
MERCÚRIO
ÁLCOOL ETÍLICO
O sistema bulbo-capilar também
é utilizado em termostatos,
para acionamento de sistemas de
aquecimento e refrigeração.
Sistema de Compensação da Temperatura Ambiente:
• Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da
distância entre o elemento sensor e o bulbo ser considerável, as
variações na temperatura ambiente afetam não somente o líquido no
bulbo, mas todo o sistema (bulbo, capilar e sensor), causando erro de
indicação ou registro.
• Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas
maneiras que são denominadas classe IA e classe IB.
• Na classe IB a compensação é feita somente na caixa do sensor
através de uma lâmina bimetálica ou um espiral de compensação.
Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples e ter
respostas mais rápidas, porém, o comprimento máximo do capilar
desse tipo é aproximadamente 6 metros.
• Quando a distância entre o bulbo e o instrumento é muito grande,
ou se deseja alta precisão, utilizam-se instrumentos da classe IA
onde a compensação é feita na caixa e no capilar (compensação
total). Neste caso a compensação é feita por meio de um segundo
capilar, ligado a um elemento de compensação idêntico ao da
medição, sendo os dois ligados em oposição. Este segundo capilar
tem seu comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não
está ligado ao bulbo.
Recomendações de Instalação:
• Instalar o bulbo dentro de um poço protetor para permitir
manutenção com o processo em operação.
• Sempre que for instalado dentro de um poço protetor, preencher o
espaço entre o bulbo e o poço a fim de reduzir o atraso na resposta.
Para tal, podemos usar mercúrio, óleo, grafite, glicerina, etc.
• Não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se
formem restrições que prejudicariam o movimento do líquido no
seu interior, causando falha no funcionamento do termômetro.
• O comprimento máximo do capilar deste sistema deve ser de 60
metros para os líquidos orgânicos e de 15 metros para enchimento
com mercúrio.
TERMORESISTÊNCIAS:
• Também conhecidos como RTD (Resistance Temperature Detector ou
Detectores de Temperatura a Resistência), este tipo de sensor vale-se da
característica de quase todos os materiais condutores elétricos
apresentarem uma dependência entre a resistência e a temperatura.
Este fenômeno permite seu emprego como sensores de temperatura.
• O SENSOR Pt 100:
• Este sensor é assim chamado por ser fabricado com platina (Pt) e
possuir resistência padronizada de 100 Ω a 0ºC.
• O Pt 100 é a termoresistência mais empregada em todo o mundo,
devido à sua estabilidade, repetibilidade, precisão e ampla faixa de
medição.
• Conexão elétrica – 2 FIOS:
• O circuito de medição em ponte WHEATSTONE é o mais utilizado na
medição de resistências e, conseqüentemente, na medição de
temperatura tendo termoresistências como sensores.
No esquema ao lado a
resistência R4 representa a
termoresistência.
O equilíbrio da ponte é
conseguido quando não há
corrente
circulando
no
galvanômetro.
Esta condição é conseguida
quando o potencial elétrico no
ponto A é igual ao potencial
elétrico no ponto B, ou seja:
• Conexão elétrica – 3 FIOS:
Agora, tanto a resistência R3 como
a R4 estarão em série com uma das
resistências de linha (RL).
Portanto a condição de equilíbrio
da ponte de medição será:
Como as resistências de linha
são iguais, a expressão fica:
R3 + RL = R4 + RL
Recomendações na Instalação de Termoresistências:
• Deve-se especificar materiais da proteção e ligações capazes de
operar na temperatura de operação requerida.
• O sensor deve ser imerso completamente no processo, para se
evitar a perda de calor. Para tal, um comprimento mínimo de
imersão e o uso de materiais de proteção com boa condutibilidade
térmica são recomendados.
• Deve-se evitar choques mecânicos nas peças, pois estes podem
danificar o sensor.
• Deve-se utilizar fios de cobre de mesmo comprimento e diâmetro
para a interligação da termoresistência.
• Zonas de estagnação ou com baixas velocidades do fluido em
contato com o sensor, não devem ser utilizadas devido ao retardo e
aos erros causados à medição.
• Na ligação a 3 fios, se for necessário a troca de um dos fios de
interligação, recomenda-se trocar os 3 fios para que se tenha
igualdade em seus valores ôhmicos.
• Em locais sujeitos a vibração, deve-se utilizar sensor com isolação
mineral.
TERMISTORES:
• Termistor é o nome dado a elementos semicondutores, normalmente
óxidos metálicos aglutinados à alta temperatura.
• As principais características dos termistores são:
• Sua alta resistividade possibilitando a construção de elementos de
massa diminuta.
• Elevado coeficiente de variação de resistência possibilitando a
construção de termômetros com faixa de utilização bastante estreita.
• O coeficiente de variação de resistência dos termistores alcança
normalmente 8 a 10 vezes o valor dos metais comuns.
• Sua robustez e durabilidade praticamente ilimitada.
• Apesar de ser semicondutor, não possui junção PN e nem polaridade.
• Sua não linearidade exige o uso de circuitos adequados, e
normalmente limita a aplicação a faixas estreitas de temperatura.
• Na indústria, é utilizado na fabricação de termostatos e como
sensores auxiliares de compensação de temperatura em
transmissores eletrônicos.
• Fig. 159: curva característica de um termistor NTC
• A maioria dos termistores possui coeficiente térmico negativo (NTC
– Negative Thermal Coeficient).
TERMOPARES:
• Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de naturezas
distintas, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas.
• Os fios são soldados em um extremo para o qual se dá o nome de
junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é
levada ao instrumento de medição de F.E.M. (força eletromotriz) para
a qual se dá o nome de junta fria ou junta de referência.
• 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.
• EFEITO SEEBECK:
• O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T.J.
Seebeck quando ele verificou que em um circuito fechado, formado
por dois condutores diferentes A e B, ocorre uma circulação de
corrente enquanto existir uma diferença de temperatura (T) entre
as suas junções. Esta corrente será diretamente proporcional à
diferença entre as temperaturas.
Fig. 162: esquema gráfico ilustrativo do efeito Seebeck
• EFEITO PELTIER:
• Dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma
temperatura, se, mediante uma bateria exterior, produz-se uma
corrente no termopar, ocorre o aquecimento de uma junção e o
resfriamento da outra. O efeito Peltier se sobrepõe ao efeito Joule
(aquecimento devido à circulação de corrente em um circuito
resistivo), que estará sempre presente. Esta variação adicional de
temperatura é o efeito Peltier..
Fig. 163: esquema gráfico ilustrativo do efeito Peltier
GRUPOS DE TERMOPARES:
• TERMOPARES BÁSICOS.
• São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que
os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um
limite de erro maior.
• TERMOPARES NOBRES.
• São aqueles em que os pares são constituídos de ligas 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 fios dos termopares.
• TERMOPARES ESPECIAIS.
• São termopares desenvolvidos para atender a condições de processo
onde os termopares básicos não podem ser utilizados.
TIPOS DE TERMOPARES
•
•
•
•
•
CARACTERÍSTICAS DE TERMOPARES BÁSICOS
Termopar Tipo T
Termopar Tipo J
Termopar Tipo E
Termopar Tipo K
•
•
•
•
•
CARACTERÍSTICAS DE TERMOPARES NOBRES
Termopar Tipo S
Termopar Tipo R
Termopar Tipo B
Termopar Tipo N
• TERMOPARES ESPECIAIS:
• Ouro+Ferro/Chromel:
• Tungstênio/Rhênio:
• Platina 40%+Rhodio/Platina 20%+Rhodio:
ASSOCIAÇÕES DE TERMOPARES:
• ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE:
• Podemos ligar termopares em série simples para obter a soma das
F.E.M (mV) individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação
é muito utilizado em pirômetros de radiação total.
F.E.M.Total = F.E.M.1 + F.E.M.2
F.E.M.1 = 2,27 mV – 1,00 mV
F.E.M.1 = 1,27 mV
F.E.M.2 = 2,022 mV – 1,00 mV
F.E.M.2 = 1,022 mV
F.E.M.Total = 1,27 mV + 1,022 mV
F.E.M.Total = 2,292 mV
• ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE OPOSTA:
• Podemos ligar os termopares em série oposta para obter a
diferença de temperatura entre dois pontos (sempre termopares do
mesmo tipo).
F.E.M.Total = F.E.M.1 + F.E.M.2
F.E.M.1 = 56ºC = 2,27 mV
F.E.M.2 = 50ºC = 2,022 mV
F.E.M.Total = 2,27 mV – 2,022 mV
F.E.M.Total = 0,248 mV = 6ºC
• ASSOCIAÇÃO EM PARALELO:
• Ligando dois ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento,
teremos a média das F.E.M. (mV) geradas nos diversos termopares se as
resistências internas foram iguais.
F.E.M.1 = F.E.M.JMedição – F.E.M.JReferência
F.E.M.2 = F.E.M.JMedição – F.E.M.Jreferência
F.E.M.1 = 5,268 mV – 1,019 mV
F.E.M.2 = 0 mV – 1,019 mV
F.E.M.1 = 4,249 mV
F.E.M.2 = - 1,019mV
F.E.M.Total = F.E.M.1 + F.E.M.2
2
F.E.M.Total = 4,249 mV - 1,019 mV
2
F.E.M.Total = 1,615 mV
MONTAGEM DE TERMOPARES:
• Após a soldagem dos dois fios, eles são isolados entre si, por meio
de pequenos tubos, ou melhor ainda, por meio de isoladores com
dois furos (missangas). O material dos isoladores é normalmente de
cerâmica, porcelana, quartzo, etc.
• Este conjunto é então protegido por um ou mais tubos concêntricos
apropriados à cada aplicação. A parte superior é ligada a uma
borracha ou bloco de terminais de abonite ou cerâmica instalada
dentro de um cabeçote de ligação.
CABEÇOTE
DE LIGAÇÃO
ISOLADOR
CERÂMICO
JUNTA DE
MEDIÇÃO
TAMPA
TUBO DE
PROTEÇÃO
BLOCO DE
TERMINAIS
TERMOPARES ISOLAÇÃO MINERAL:
• O termopar isolação mineral é constituído de um ou dois pares de
fios isolados entre si e a bainha metálica por um pó isolante de
óxido de magnésio altamente compactado.
• Devido a esta construção os termoelementos ficam totalmente
isolados do meio, resultando, portanto, em uma maior estabilidade
da F.E.M. e maior vida útil.
Bainha metálica
fios do termopar
Isolação mineral
• Vantagens do termopar isolação mineral:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
a) Estabilidade na F.E.M.:
b) Resistência mecânica:
c) Dimensão reduzida:
d) Impermeabilidade a água, óleo e gás:
e) Facilidade de instalação:
f) Adaptabilidade:
g) Resposta mais rápida:
h) Resistência à corrosão:
i) Resistência de isolação elevada:
TUBOS DE PROTEÇÃO:
• Sua principal função é proteger os termopares do ambiente de
trabalho aumentando a sua durabilidade. Não são indicados para
áreas onde se necessita a vedação. Para especificar um tubo é
necessário levar em consideração todas as condições de uso do
termopar, como temperatura, atmosfera do processo, resistência
mecânica, pressão, tipos de fluido em contato, velocidade de
resposta, etc.
ANALISADORES DE pH:
• Os analisadores de pH, também conhecidos como peagâmetros,
são instrumentos analíticos que medem a concentração de íons
hidrônios em uma solução aquosa.
• Através dessa grandeza, é possível determinar o grau de acidez ou
alcalinidade dessa mesma solução.
MÉTODOS DE MEDIÇÃO:
• Método colorimétrico:
• O método colorimétrico emprega reativos indicadores que, em
contato com a solução a medir, apresentam uma mudança de
coloração. A medição consiste em comparar a cor adquirida pelo
reativo com uma escala colorida e graduada em valores de pH, após
o contato do reativo com a solução a medir.
• soluções que são gotejadas na solução a medir;
• tiras de papel que são mergulhadas na solução a medir.
Eletrodo de medição:
• O eletrodo de medição, também denominado de eletrodo de
membrana de vidro, mostrado na figura abaixo, consiste em um
recipiente tubular hermeticamente fechado, contendo no seu
interior um eletrodo de ligação imerso em uma solução tampão
([H3O+] = constante). Na extremidade do tubo que está em contato
com a solução a medir, existe uma membrana de vidro especial,
sensível aos íons H3O+.
Fig. 186: esquema gráfico de um eletrodo de membrana de vidro
• Eletrodo de referência:
• O potencial na superfície externa da membrana do eletrodo de
medição é captado por meio do eletrodo de referência através da
solução a medir.
Fig. 188: esquema gráfico da medição da diferença de potencial na membrana do eletrodo de medição.
Eletrodo combinado
• Os eletrodos de vidro e referência podem ser fabricados, reunidos
num só eletrodo, recebendo a denominação de eletrodo
combinado, que usa um eletrodo de referência do tipo escoamento.
Fig. 191: Esquema gráfico de um eletrodo combinado
• POTENCIAL DE ASSIMETRIA
• É a tensão que aparece entre as superfícies da membrana, mesmo
quando ambos os lados estão em contato com uma solução de
igual pH.
• ELEMENTOS DE UM ANALISADOR:
•
•
•
•
é composto pelos seguintes elementos:
Eletrodos e dispositivos de montagem;
Sistemas de limpeza;
Transmissor.
• Eletrodos e dispositivos de montagem:
• Os dispositivos de montagem dos eletrodos têm por finalidade:
• Permitir a montagem dos eletrodos no ponto desejado do
processo.
• Proporcionar proteção mecânica aos eletrodos.
• Permitir a pressurização do eletrodo de referência, quando
necessária
• Existem três tipos de dispositivos de montagem, a saber:
– Câmara de imersão;
– Câmara para operação em linha;
– Câmara de inserção (dispositivos especiais de inserção).
• A câmara de imersão:
• É utilizada em tanques abertos ou em calhas. Nela pode ser
adaptado um reservatório para eletrólito quando o eletrodo de
referência for do tipo escoamento.
• A câmara para operação em linha:
• É instalada de forma que a montagem possibilite a remoção da
câmara sem haver interrupção do processo.
• Isto é feito instalando-se a câmara com linha de desvio (by-pass), ou
em uma linha secundária do processo.
• A câmara para operação em linha possibilita a medição em
processos cujos limites de pressão e/ou temperatura ultrapassem
os limites dos eletrodos atualmente disponíveis, mediante um
prévio condicionamento da amostra.
• Sistemas de limpeza:
• A manutenção da precisão e rapidez de resposta de um sistema de
medição de pH depende essencialmente da limpeza dos eletrodos.
Deve ser evitada a deposição de sujeira sobre a membrana do
eletrodo de medição, e a obstrução da superfície de escoamento ou
difusão do eletrodo de referência.
• A limpeza contínua dos eletrodos pode ser feita por meio de
diversos sistemas, dentre os quais, o que possibilita melhor
eficiência é o ultra-sônico.
• Através de um tradutor ultra-sônico posicionado próximo dos
eletrodos, e excitado por um gerador de ultra-som, as partículas
encontradas no fluído são agitadas, retardando ou evitando sua
deposição nos eletrodos.
• O sistema de limpeza por ultra-som não é suficiente em todos os
casos, como, por exemplo, a medição em soluções que contenham
óleos.
• Transmissor:
• As principais funções de um transmissor, no sistema de medição de
pH com eletrodos são:
• Transmitir um sinal padronizado de corrente ou tensão,
proporcional ao pH da solução em medição.
• Prover os controles necessários para se efetuar a calibração,
posicionar os níveis de alarme e compensar manualmente a
temperatura.
• Indicar, no local, o valor de pH.
• A câmara de inserção:
• Permite a introdução lateral dos eletrodos em reatores, tanques ou
tubulações de processo. Sua montagem é feita por meio de flanges
e podem ser acoplados a válvulas que permitem a remoção sem
interrupção do processo.
Fig. 194: Esquema gráfico de câmara de inserção
Fluxograma simplificado de aplicação para medição e controle de pH
FIM