INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
M!LI VOLTÍMETROS E POTENCIÔMETROS
Introdução
Para a utilização de termopares na medição de temperatura, há a necessidade de se
completar o circuito com algum instrumento suficientemente sensível para medir
tensões da ordem de alguns milivolts. Esses instrumentos devem ter escala graduada
de preferência em graus de temperatura (°C ou °F), e para obter-se uma medição
precisa, devem possuir algum dispositivo para compensar as variações de
temperatura da junta de referencia. Para tanto, são utilizados milivoltímetros e
potenciômetros.
Milivoltímetros
O milivoltímetro consta basicamente de um galvanômetro d'Arsonval,
especialmente construído para a medição de temperatura com termopares. O principio
básico de funcionamento e o mesmo dos instrumentos de bobina móvel usados
para medir correntes contínuas, utilizado também nos multímetros, de uso comum
na eletrônica.
Esses instrumentos são acionados por uma corrente elétrica que percorre
uma bobina móvel de forma
retangular, e que pode girar em um
campo magnético, produzido por um
ima permanente (Fig- 1). A força que
tende a movimentar a bobina é
proporcional ao campo magnético
produzido pela corrente. Por outro
lado, uma ou duas molas em espiral
exercem uma força contraria. O
equilíbrio se estabelece quando as
duas forças são iguais. Â bobina
encontra-se preso um ponteiro, que
pode indicar numa escala o valor da
corrente que passa ela bobina. Se
desejar medir uma tensão com um
aparelho desse tipo, devera,via de
regra, ser inserido um resistor em seri
e com a bobina, tal que: Emax = Imax.
R, em que Emax é a máxima tensão a
ser medida, Imax a corrente; que
causa deflexão total do ponteiro, e R a
resistência total correspondente
a bobina e ao resistor em serie.
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Se a fonte de tensão se encontrar a uma certa distancia do aparelho (como é o caso
de termopares), a resistência dos fios de ligação pode introduzir um erro, que deve ser
considerado.
Suponhamos, p.ex., que
queremos medir uma
tensão E, e que a
resistência de cada fio de
ligação seja r/2, sendo
portanto a resistência
total dos dois fios igual a r
(Fig.2). a tensão medida
será:
Num caso pratico, R = 500 ohms, e r = 5 ohms. Teremos:
O milivoltimetro indicara portanto cerca de menos que o valor verdadeiro. A fim de
sanar esse inconveniente, pode-se calibrá-lo com um resistor de5 ohms colocado em
serie. Nesse, caso, ele indicara o valor correto da tensão, desde que a resistência dos
fios de ligação seja de 5 ohms. Caso essa resistência seja diferente, poderá
novamente haver um erro na medição.
Alguns instrumentos desse tipo podem ser fornecidos com um reostato de calibração
em serie, e que poderá ser ajustado para que a indicação seja correta, para qualquer
resistência externa compreendida entre certos limites.
No caso de se medir temperatura com um termopar, existe a necessidade adicional de
compensar-se as variações da f.e.m. da junta de referencia. Essa compensação e
normalmente feita através de um bimetal
ligado ao suporte da moía do galvanômetro
(Fig. 3) Quando a temperatura da junta de
referencia diminui, a f.e.m. do circuito
termoelétrico aumenta. Com isso, aumenta a
corrente no circuito, e o ponteiro devera indicar
um valor mais alto. Entretanto, o bimetal se
dilata e move a ponta da mola, fazendo com
que o ponteiro permaneça na posição original.
Em
geral, um dispositivo desse tipo
consegue compensar de maneira eficiente
variações da temperatura ambiente de 0°C a
50°C.
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A precisão de um milivoItímetro industrial é da ordem de 1 a 2%, não se computando
erros adicionais devidos ao termopar e aos fios de extensão.
O menor "span" disponível e de cerca de 12 a 15 mV, o que corresponde a uma
escala de 0°C a 300°C, aproximadamente, para um termopar tipo J .
A escala não e perfeitamente linear, visto que a característica f.e.m. x temperatura dos
termopares também não o é.
Os milivoItímetros podem ser fornecidos como indicadores ou registradores, podendo
também ser dotados de contatos elétricos para controle liga- desliga ou para alarme.
Não são normalmente disponíveis com controle pneumático, visto que não ha força
suficiente para acionar o mecanismo.
Quando comparados com os potenciômetros apresentam como vantagem a
simplicidade e o custo reduzido. Como desvantagens, podem ser citadas a baixa
precisão, a influencia da resistência dos fios (e sua eventual variação com
a temperatura), e a sensibilidade a vibração.
Potenciômetros
Para medições de maior precisão, e que sejam ao mesmo tempo independentes da
resistência dos fios de ligação, utilizam-se os potenciômetros, nos quais a medição da
f.e.m. desconhecida se faz por comparação com uma outra, conhecida.
Na fig. 4, suponhamos inicialmente
que a parte de baixo, incluindo Ex e G
esteja desligada, A corrente I vale:
Suponhamos ainda que temos
possibilidade de conhecer essa
corrente I com grande precisão, sendo
a mesma fornecida pela bateria E, e
ajustada para um valor prefixado
através do reostato R. Entre A e B
teremos uma tensão:
Ligamos agora a f.e.m. desconhecida e um galvanômetro G. Esse ultimo deve ter um
"zero" central, com um movimento do ponteiro para a direita ou para a esquerda,
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dependendo da corrente que o atravessa, entretanto, não é essencial que o mesmo
esteja calibrado com precisão, quanto a indicação do valor da corrente.
Se Ex = Ey, os pontos A e C estarão no mesmo potencial, e portanto não passara
corrente no galvanômetro, ou seja, ig = 0. Se Lx> Ey, Í9>0; se Ex < Ey, ig<0.
Movendo-se o cursor de R2, pode-se chegar ao equilíbrio (ig = 0). Podemos colocar
uma escala indicando o valor de Ey,junto ao resistor R ଶ . O cursor indicará o valor de
Ey; visto que, no, equilíbrio, Ex = Ey, o valor indicado será também igual a f.e.m.
desconhecida Ex.
Note-se que a resistência dos fios de Iigaçao não tem, praticamente, nenhuma
influência no funcionamento, visto que, no equilíbrio, a corrente e zero, e não ha queda
de tensão nos fios.
Exemplo 1
Suponhamos que a bateria E tenha uma f.e.m. de 1,5 volts quando nova; entretanto,
com o envelhecimento, esse valor pode cair até 1,2 volts. Suponhamos, ainda, que a
faixa de medição desejada seja de 0,2 a 0,6 volts, e que a corrente I deva ser de
5 mA. Vamos calcular os valores R, Rଵ , R ଶ e R ଷ .
O reostato R e percorrido pela corrente de 5 mA, e deve produzir uma queda de
tensão variável de 0,3 a 0 volts, quando a f.e.m. da bateria varia de 1,5 a 2 volts,
respectivamente. Sua resistência deve ser R = 0,3V/0,005A = 60 ohms.
O cursor R ଶ deve estar completamente a esquerda, quando Ex e Ey forem iguais ao
extremo inferior da faixa de medição, ou seja, 0,2 volts. Nessas condições, a tensão
Ey se desenvolve somente no resistor Rଵ . A resistência Rଵ vale portanto
Rଵ = 0,2V/0,005A = 40 ohms.
O cursor R ଶ deve estar completamente a direita, quando Ex e Ey forem iguais ao
extremo superior da faixa de medição, ou seja, 0,6 volts. A tensão no resistor variável
R ଶ é igual portanto ao "span" do instrumento, ou seja, 0,6 - 0,2 = 0,4 volts. O valor de
R ଶ será: R ଶ = 0,4V/0,005A = 80 ohms.
O conjunto , Rଵ , R ଶ e R ଷ terá, constantemente, uma tensão de 1,2 volts entre seus
extremos. Qualquer variação será compensada agindo-se sobre o valor do reostato R.
Nessas condições, Rଵ + R ଶ + e R ଷ = I,2V/0,005A = 240 ohms. Visto que já
conhecemos Rଵ = 40 ohms e R ଶ = 80 ohms, e o valor de R ଷ pode ser obtido por
diferença; R ଷ = 240 ~ 40 - 80 = 120 ohms.
Vamos agora introduzir alguns detalhes a mais no circuito:
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a) Indicamos que a tensão
desconhecida provem de um circuito
termoelétrico;
b) Incluímos mais duas
resistências, com os valores
indicados;
c) Incluímos uma chave "S" e
uma pilha padrão, bem como uma
resistência de proteção R ଺ .
A pilha padrão, também chamada "pilha Weston" éum dispositivo que mantém entre
seus terminais uma tensão de 1,019 volts, durante um período de vários anos, desde
que a corrente fornecida seja intermitente, e não ultrapasse alguns μA.
Por outro lado, a bateria E é uma pilha seca ou pilha comum de lanterna, cuja f.e.m.
diminui com o tempo, e com duração limitada. Vamos supor ainda que acondição para
que o circuito esteja equilibrado é que a corrente através de Rଵ , R ଶ e R ଷ seja de
4 mA, e que a corrente através de R ସ e R ହ seja de 2 mA. Para tanto, basta que
2 ( Rଵ + R ଶ + e R ଷ ) = R ସ + R ହ .
Rଵ , R ଶ , R ଷ , R ସ e R ହ serão feitas com fio de constatan ou manganina, cuja resistência
elétrica não varia
com a temperatura. Antes de efetuar a medição da f.e.m.
desconhecida, calibramos ou "standardizamos" o aparelho, passando a chave para a
posição indicada na figura. Se a corrente através de R ହ for de exatamente 2 mA, a
tensão em R ହ será de 2.509,5 = 1019 mV = 1,019 volts, que é igual à f.e.m. da pilha
padrão. Nessas condições, a corrente através do galvanômetro G devera ser igual a
zero. Caso G não indique zero, ajustamos R ate que i = 0. Teremos então certeza de
que a corrente através de R ସ e R ହ é 2 mA. Dado que 2 ( Rଵ + R ଶ + e R ଷ ) = R ସ + R ହ ,
a corrente através de Rଵ , R ଶ e R ଷ será de 4 mA. Passamos agora chave S para a
outra posição, e podemos efetuar a medição agindo sobre o cursor de R ଶ . Os valores
de Rଵ , R ଶ e R ଷ são escolhidos de acordo com a faixa de medição do aparelho.
Tal como descrito, o circuito (com algumas variações) é utilizado em aparelhos
portáteis, para medições intermitentes. Aparelhos para medição continua em
processos industriais apresentam alguns detalhes a mais.
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1. O conjunto E e R é modernamente substituído por uma fonte de tensão
continua estabilizada, capaz de fornecer (no caso) 1,029V e 6 mA. Não há
mais necessidade.da pilha padrão e circuito associado.
2. O problema da compensação da junta fria pode ser resolvido fabricando-se R ସ ,
não mais com fio de constantan ou manganina, conforme citado anteriormente,
mas com fio de cobre (a resistência não será mais de 5 ohms). e o "resistor de
compensação da junta fria".
A condição de equilíbrio é: 2 . R ସ - E୨୤ + E୨୯ = 4 (Rଵ + a. R ଶ ).
A resistência R ସ será dimensionada de tal forma que ao variar a temperatura
ambiente, o valor de R ସ varie de tal maneira que compense exatamente a variação da
tensão da junta fria E୨୤ .
Ter-se-à então uma correspondência biunívoca entre a tensão da junta quente E୨୯ e a,
e a escala do instrumento poderá ser calibrada diretamente em graus de temperatura.
3. A resistência R ଶ é substituída por uma combinação em paralelo de um
potenciômetro cor uma resistência que é independente da faixa de medição do
instrumento (devido a dificuldade de fabricação de potenciômetros com
diversos valores de resistência, um para cada faixa de medição) com uma
resistência fixa em paralelo (essa, podendo variar). O conjunto terá uma
resistência equivalente igual ao valor de R ଶ calculado anteriormente.
4. A alteração mais importante e o fato de que o galvanômetro e substituído por
um amplificador, que aciona um "motor de balanço", fazendo-o girar num
sentido ou no outro, conforme o desequilíbrio seja positivo ou negativo. Esse
motor move o cursor do potenciômetro, tendendo a restaurar o equilíbrio;
ao mesmo tempo, ele move também o ponteiro ou a pena do instrumento .
O esquema abaixo (fig. 6) e o básico. O potenciômetro que trabalha sob esse principio
é chamado "balanceamento continuo”. O esquema de blocos seria o da figura 7.
Dadas as dificuldades de construção de amplificadores de C.C., prefere-se em geral
inicialmente converter o sinal de desequilíbrio de C.C. num final de C.A. Tal tarefa
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pode ser por meios eletrônicos e mecânicos. Um mecânico é o do conversor de lamina
vibrante. (Fig. 8)
Uma lamina vibra 60 vezes por segundo, fazendo com que a corrente de desequilíbrio
passe pelo primário de Tଵ , alternadamente num sentido e no outro. No secundário de
Tଵ teremos uma "onda quadrada", com a fase indicada na figura 8. Se a corrente de
desequilíbrio fosse em sentido contrario, a "onda quadrada" teria a polaridade oposta.
O sinal de saída de Tଵ e amplificado sucessivamente por um amplificador de tensão e
um amplificador de potencia, esse ultimo por sua vez alimentando um "discriminador".
Uma das execuções do "discriminador" pode ser vista na figura 9. Conforme a fase do
sinal de entrada, passara corrente pela bobina Bଵ (para cima) ou pela bobina Bଶ
(para baixo).
As bobinas Bଵ e Bଶ constituem os enrolamentos de um motor, constituído por um ima
permanente, montado dentro de um recipiente contendo um óleo de alta viscosidade.
Ao passar corrente por Bଵ , o núcleo se magnetiza conforme mostra a figura, e o rotor
gira no sentido horário. Ao passar corrente por Bଶ , a magnetização do núcleo será no
sentido contrario, girando o rotor no sentido anti-horário, No equilíbrio, não passa
corrente nem por Bଵ nem por Bଶ ; o núcleo deixa de estar magnetizado, e o ima deixa
de girar. Ligados ao ima, temos o cursor de potenciômetro e o ponteiro ou pena do
instrumento.
Potenciômetros industriais podem ser fornecidos na forma de:
a) Indicadores analógicos, com escala retilínea, de tambor, ou circular;
b) Indicadores digitais, em que é feita uma linearização do sinal do termopar,
sendo a tensão resultante comparada com uma tensão de referencia,
utilizando-se para tanto técnicas digitais;
Tanto os indicadores analógicos como os digitais podem ser acoplados a uma chave
múltipla, que permite que diversos termopares possam ser ligados em seqüência a um
só indicador, a critério do operador.
c) Registradores de carta de gráfico de rolo, para 1 ou 2 pontos (nesse ultimo
caso, utilizam-se circuitos separados para cada pena) (Fig. 11);
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d) Registradores de carta de gráfico de rolo, para múltipíos pontos (em geral de 2
a 24 pontos). Nesses instrumentos, o circuito de medição é ligado
seqüencialmente aos diversos termopares, mediante uma chave seletora
movida por um motor, e os diversos pontos de equilíbrio são carimbados com
tintas de cores diferentes, ou com símbolos diferentes, sobre a mesma carta de
gráfico;
e) Registradores de carta de gráfico circular (Fig. 12).
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Os instrumentos descritos podem ser dotados de contatos (micro-interruptores ou
ampolas de mercúrio) para alarme ou controle, controladores eletrônicos e
pneumáticos.
Bastante útil e também a proteção contra falha do termopar, incluída em alguns
aparelhos. Nesse caso, quando, por algum motivo, o circuito do termopar e aberto por
queima do próprio termopar, falha dos fios, ou nas conexões), a pena ouponteiro se
desloca para o fim da escala ("upscale burnout"), ou, opcionalmente, para o inicio da
escala ("downscale burnout").
Em relação aos miIivoItímetros, os potenciômetros de balanceamento continuo
apresentam como vantagens a maior precisão, resistência a vibração, não
dependência das resistências dos fios de extensão (o limite imposto pelos
fabricantes e da ordem de 200 a 1000 ohms), e facilidade de mudança de escala,
(alem da própria escala, basta trocar Rଵ , R ଶ e R ଷ ).
O custo e naturalmente maior que o dos míIivoItímetros. A precisão que pode ser
alcançada e da ordem de 0,25% da faixa de medição.
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