Instrumentação industrial, Notas de estudo de Administração Empresarial

Baixe Instrumentação industrial e outras Notas de estudo em PDF para Administração Empresarial, somente na Docsity! CURSO TÉCNICO EM PROCESSOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Tubarão - 2003 3.2.7. Termopares e Acessórios.................................................................................. 45 3.2.8. Medição de Temperatura por Termômetro de Resistência............................... 47 3.2.9. Medição de Temperatura por Radiação............................................................ 51 3.2.10. Medição de Temperatura Superficial ............................................................. 56 4. VAZÃO .......................................................................................................................... 57 4.1. Medição de Vazão ................................................................................................... 57 4.2. Tipos de Medidores de Vazão ................................................................................. 57 4.2.1. Medidores de Quantidade................................................................................. 57 4.2.2. Medidores Volumétricos .................................................................................. 58 4.2.3. Medidores de Vazão por ∆P Constante (área variável).................................... 75 4.2.4. Medidores Especiais de Vazão ......................................................................... 77 5. NÍVEL ............................................................................................................................. 85 5.1. Introdução................................................................................................................. 85 5.2. Métodos de Medição de Nível.................................................................................. 85 5.2.1. Medição de Nível Direta.................................................................................... 85 5.2.2. Medição de Nível Indireta ................................................................................. 89 6. Medição Analítica............................................................................................................ 98 6.1. Introdução................................................................................................................. 98 6.2. Analisadores de Gases de Combustão ...................................................................... 98 6.2.1. Analisadores Químicos...................................................................................... 98 6.2.2. Analisadores Termocondutivímetros............................................................... 100 6.2.3. Analisadores por Combustão Catalítica .......................................................... 103 6.2.4. Analisadores Termomagnéticos ...................................................................... 104 6.2.5. Analisador Eletroquímico de Oxigênio ........................................................... 106 6.2.6. Analisadores de Oxigênio Dissolvido ............................................................. 107 6.2.7. Analisadores de Hidrogênio Dissolvido.......................................................... 109 6.2.8. Sistemas de Amostragem de Gás .................................................................... 110 6.2.9. Medidores de Ph .............................................................................................. 111 6.2.10. Medição de Condutividade Elétrica .............................................................. 113 7. Instrumentos para Supervisão........................................................................................ 114 7.1. Introdução............................................................................................................... 115 7.2. Medidores de Rotação ............................................................................................ 115 7.3. Detectores de vibração............................................................................................ 115 7.4. Detectores de Expansão Diferencial....................................................................... 116 7.5. Detectores de Excentricidade ................................................................................. 117 8. Elemento Final de Controle........................................................................................... 118 8.1.Tipos de Válvula de Controle.................................................................................. 118 8.1.1. Introdução....................................................................................................... 118 8.1.2. Tipos de Corpos............................................................................................... 118 8.1.3. Válvulas de Deslocamento Linear da Haste .................................................... 119 8.1.4. Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste................................................ 134 8.2. Atuadores para Válvulas de Controle..................................................................... 140 8.2.1. Introdução....................................................................................................... 140 8.2.2. Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma ................................................ 140 8.2.3. Atuador Pneumático Tipo Pistão.................................................................... 142 8.2.4. Atuador Elétrico ............................................................................................. 143 8.2.5. Atuador Eletro-Hidráulico.............................................................................. 143 8.2.6. Atuador Hodráulico ........................................................................................ 144 8.2.7. Posição de Segurança por falha ...................................................................... 144 8.3. Acessórios de uma Válvula de Controle................................................................. 146 8.3.1. Introdução....................................................................................................... 146 8.3.2. Posicionador Pneumático ............................................................................... 146 8.3.3. Posicionador Eletro-Pneumático .................................................................... 150 8.3.4. Válvulas Solenóides ....................................................................................... 151 8.3.6. Válvula Fixadora de Ar .................................................................................. 152 8.3.7. Transmissor de Posição .................................................................................. 152 8.3.8. Transdutores Eletro-pneumáticos ................................................................... 152 8.3.9. Conjunto Filtro-Regulador de Ar ................................................................... 152 8.3.10. Volantes Manuais ......................................................................................... 153 8.4. Características das Válvulas de Controle ............................................................... 154 8.4.1. Característica Linear....................................................................................... 154 8.4.2. Característica de Igual Porcentagem .............................................................. 154 8.4.3. Característica Parabólica Modificada............................................................. 155 8.4.4. Característica de Abertura Rápida.................................................................. 156 8.4.5. Características de Válvulas Borboletas .......................................................... 156 8.4.6. Coeficiente de Vazão – Cv ............................................................................. 156 8.5. Outros Tipos de Atuadores .................................................................................... 157 8.5.1. Válvulas Reguladoras de Pressão Auto-Operadas........................................... 157 8.5.2. Válvulas de Segurança.................................................................................... 159 8.5.3. Atuadores de Console..................................................................................... 159 1 1. ASPECTOS GERAIS DA ÁREA DE INSTRUMENTAÇÃO 1.1. HISTÓRICO Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Estes processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, etc. Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis, utilizando somente instrumentos simples (manômetro, termômetro, válvulas manuais, etc.) e isto era suficiente, porque os processos eram simples. Com o passar do tempo, estes foram se complicando, exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isso, os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala. Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam impossíveis através do controle manual. Mas, para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, como: controle manual, controle mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico e atualmente controle digital. Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos descontínuos. Em ambos os tipos, deve-se manter as variáveis próximas aos valores desejados. O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente sem a intervenção do operador. Para que se possa fazer esta comparação e conseqüentemente a correção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo. Figura 1.1 – Malha de Controle Fechada 4 1.2.7. Sensibilidade É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500°C e com sensibilidade de 0,05% terá valor de: 1.2.8. Histerese É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese. Exemplo: Num instrumento com range de -50°C a 100°C, sendo sua histerese de ± 0,3 %, o erro será 0,3 % de 150°C = ± 0,45°C. 1.2.9. Repetibilidade É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese. 1.2.10. Linearidade É o desvio máximo da indicação obtida tornando com referência a reta que une os pontos referentes a 0% e 100% da escala. 1.3. FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que desempenham no processo. a) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3 ilustra dois tipos de indicadores. Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital 5 b) Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico. Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4. Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5 mostra alguns transmissores típicos. Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados. Figura 1.6 – Tipos de transdutores 6 e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor. Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle. Figura 1.8 – Elementos finais de controle 1.4. IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. O Quadro 1.1 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma estabelecida. P RC 001 02 A Variável Função Área da Atividade No Seqüencial Da Malha Identificação Funcional Identificação da Malha S U F I X O Identificação do Instrumento (PRC 001 02 A) Quadro 1.1 – Identificação de instrumentos de acordo com a norma ISA-S5 9 Figura 1.9 – Exemplos de localização de equipamentos, tipos de sinais de transmissão e funções de equipamentos 10 1.5. PRINCIPAIS SISTEMAS DE MEDIDA Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamentais, quanto ao valor dessas unidades e também quanto às relações escolhidas na determinação dos derivados. Os principais sistemas são: 1.5.1. Sistema Métrico Decimal Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o segundo (M.K.S). 1.5.2. Sistema Físico ou Cegesimal Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o segundo (C.G.S). 1.5.3. Sistema Industrial Francês Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em função do sistema métrico decimal. 1.5.4. Sistema Inglês Tem como unidades fundamentais o pé (foot), a libra (Pound) e o segundo (second). 1.6. TELEMETRIA Chamamos de telemetria a técnica de transportar medições obtidas no processo a distância, em função de um instrumento transmissor. A transmissão a distância dos valores medidos está tão intimamente relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam. Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade de centralizar instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de controle ou em uma sala de controle. Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens as quais não são difíceis de imaginar: • Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente, possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade. • Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência do trabalho. 11 • Cresce, consideravelmente, a utilidade e a eficiência dos instrumentos face às possibilidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais confortável. 1.6.1. Transmissores Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes. Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos. 1.6.1.1. Transmissão Pneumática Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o sinal de 3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma. Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão. Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200°C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0°C e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto). 1.6.1.2. Transmissão Eletrônica Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída. A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de um sinal pneumático. O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo. 14 2.1.1. Pressão Atmosférica É a força exercida pela atmosfera na superfície terrestre. Esta força equivale ao peso dos gases que estão presentes no ar e que compõem atmosfera. A pressão atmosférica pode variar de um lugar para o outro, em função da altitude e das condições meteorológicas (como a umidade e a densidade do ar). Ao nível do mar, esta pressão é de, aproximadamente, 760 mmHg ou 1 atm. Quanto mais alto o local, mais rarefeito é o ar e, portanto, menor é a pressão atmosférica. O instrumento que mede a pressão atmosférica é barômetro. 2.1.2. Pressão Relativa É determinada tomando-se como referência a pressão atmosférica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manômetros. Por essa razão, a pressão relativa é também chamada de pressão manométrica. A maioria dos manômetros é calibrada em zero para a pressão atmosférica local. Assim, a leitura do manômetro pode ser positiva (quando indica o valor da pressão acima da pressão atmosférica local) ou negativa (quando se tem um vácuo). Quando se fala em pressão de uma tubulação, refere-se à pressão relativa ou manométrica. 2.1.3. Pressão Absoluta É a soma da pressão relativa e atmosférica. No vácuo absoluto, pressão absoluta é zero e, a partir daí, será sempre positiva. Importante: Ao exprimir-se um valor de pressão, deve-se determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo: 3 kgf/cm2 abs Pressão Absoluta 4 kgf/cm2 Pressão Relativa O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos mede pressão relativa. 2.1.4. Pressão Negativa ou Vácuo É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. A figura 2.2 ilustra o comparativo das escalas de pressão. Figura 2.2 – Diagrama das escalas de pressão Pressão Absoluta Pressão Relativa Pressão Atmosférica Vácuo Absoluto Vácuo 15 2.1.5. Pressão Diferencial É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Normalmente é utilizada para medir diferenciais de pressão de filtros, de bombas, vazão, nível, etc. 2.1.6. Pressão Estática É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso por unidade de área exercida. 2.1.7. Pressão Dinâmica ou Cinética É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que receba o impacto do fluxo. 2.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO 2.2.1. Unidades de Pressão As unidades de pressão mais usadas são: · quilograma-força por centímetro quadrado (Kgf/cm2); · atmosfera (atm); · libras por polegada quadrada (psi); · polegada de coluna de água ("ca); · milímetro de coluna de água (mmH20); · bar; · Pascal (Pa). Como existem muitas unidades de pressão, é necessário saber correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades, sendo necessário saber fazer a conversão. A tabela 2.1 apresenta as conversões entre várias unidades de pressão: Tabela 2.1 – Fatores de conversão de unidades de pressão 16 2.2.2. Dispositivos para Medição de Pressão O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro e que pode ter vários elementos sensíveis. A figura 2.3 mostra alguns tipos de manômetros. Para processos U Antivibrantes Industrial Figura 2.3 – Tipos de manômetros Vamos, então, ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis. 2.2.3. Tipos de Elementos Sensíveis Os elementos sensíveis usados são: o tubo de Bourdon, (pode-se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal), membrana ou diafragma, fole, coluna de líquido e os com princípios elétricos. 2.2.3.1. Tubo Bourdon O princípio de funcionamento de um dispositivo de medição, baseado neste elemento sensível, é bastante simples e idêntico a um brinquedo muito conhecido: a "língua de sogra", que pode ser vista na Figura 2.4. Quando soprada, a "língua de sogra" enche-se de ar e desenrola-se, por causa da pressão exercida pelo ar. No caso do manômetro, esse desenrolar gera um movimento que é transmitido ao ponteiro e que vai indicar a medida de pressão. Figura 2.4 – Língua de Sogra 19 Quando o manômetro está separado da linha de fluído, os dois lados do manômetro estão com o nível de água no zero da escala. Isso acontece porque os dois lados do manômetro estão sujeitos à pressão atmosférica. Com um lado do manômetro ligado à tubulação de distribuição de fluído (para medir a pressão do fluído) e o outro lado ainda sujeito à pressão atmosférica local, a coluna de água será forçada para baixo no lado pressurizado e elevada no lado sob ação da atmosfera. A pressão do fluído na tubulação é medida pelo deslocamento total da coluna de água e seu valor é dado em milímetros de coluna de água (mmca). O deslocamento total da coluna de água (DT) é dado pela soma da elevação (E) no lado atmosférico e do abaixamento (A) no lado pressurizado. O abaixamento (A) no lado pressurizado é igual à elevação (E) no lado atmosférico. Por isso, o deslocamento total (DT) pode ser medido multiplicando-se o abaixamento (A) ou a elevação (E) por 2. Isso pode ser escrito em uma fórmula simples para a leitura da pressão no manômetro: DT = A + E ou DT = 2 x A ou DT = 2 x E Figura 2.10 – Manômetro de coluna reta vertical Figura 2.11 – Manômetro de tubo inclinado Quando o produto usado tiver dr (densidade relativa) diferente de 1, a pressão será calculada pela seguinte expressão matemática. DT = h ∆P = h . dr 20 2.2.3.5. Tipo Capacitivo A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sensor. Este tipo de sensor resume-se na deformação pelo processo de uma das armaduras do capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados junto ao sensor. Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras, devido á deformação não linear. Neste caso, faz-se necessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico. Figura 2.12 – Sensor capacitivo A figura 2.12 mostra um sensor capacitivo típico e a figura 2.13 mostra o desenho esquemático de uma célula capacitiva composta de dois capacitores variáveis. Figura 2.13 – Esquema de um sensor capacitivo 21 O elemento elástico, geralmente um diafragma metálico de aço inoxidável, sofre uma deformação que é proporcional à pressão diferencial aplicada. As capacitâncias da célula são medidas através de uma ponte capacitiva alimentada por uma tensão alternada de alta freqüência (10KHz, por exemplo). A tensão de desequilíbrio da ponte (tensão de saída) é função das variações das capacitâncias, que é proporcional à deflexão do diafragma. 2.2.3.6. Tipo Strain Gauge Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da resistência: Onde R : Resistência do condutor ρ : Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando- se tão compacto quanto possível. Esta montagem denomina-se tira extensiométrica, como vemos na figura 2.14: Figura 2.14 – Sensor tipo Strain Gauge Observa-se que o fio (figura 2.15), apesar de solidamente ligado a lâmina de base, Figura 2.15 – Sensor tipo Strain Gauge 24 3. TEMPERATURA 3.1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas (moléculas) que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo; quanto mais lento o movimento das moléculas, mais frio se apresenta o corpo. Então, define-se temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas. Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, na qual quanto maior o seu valor, maior é a agitação das moléculas do corpo em questão. O instrumento usado para medir temperatura é o termômetro. Por exemplo, usamos o termômetro para saber se uma pessoa está com febre, porque, com a medida do termômetro, sabemos se o corpo da pessoa está mais quente do que normal. Também com o termômetro, podemos verificar qual é a temperatura do ambiente: quanto mais fria uma noite, menor a temperatura mostrada pelo termômetro. Um conceito que se confunde às vezes com o de temperatura é o de calor. Entretanto, calor é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura. 3.1.1. Transmissão de Calor A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução, irradiação e convecção. 3.1.1.1. Condução É um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes em contato físico direto. 3.1.1.2. Irradiação É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro, através do espaço que os separa. Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Entretanto, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de calor através deles. Toda energia radiante (transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz visível, raios x, raio gama, etc.) pode converter-se em energia térmica por absorção. Porém, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor. 3.1.1.3. Convecção Consideremos uma sala na qual liga-se um aquecedor elétrico em sua parte inferior. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que 25 desce. A esse movimento de massas de fluido chamamos convecção, e as correntes de ar formadas são correntes de convecção. Outros exemplos de convecção são os fluxos das chaminés, o funcionamento dos radiadores e as correntes atmosféricas. Portanto, convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si. Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos. 3.1.2. Medição de Temperatura O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado (químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, papel e celulose, farmacêutico, vidreiro, alimentício, hidrelétrico, nuclear entre outros) a monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado. Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir: • PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. • CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. • TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria como a Criometria, que seriam casos particulares de medição. A diferença entre a temperatura de dois corpos determina a capacidade de troca de calor entre eles. Dois corpos distintos trocarão calor até que estejam em equilíbrio térmico, ou seja, até que se igualem as suas temperaturas. Este é o princípio básico da maioria dos medidores de temperatura. Ao se modificar a temperatura de um corpo, são modificadas várias de suas propriedades físicas. Para se fabricar um medidor de temperatura, é necessário escolher uma dessas propriedades que caracterizam o estado térmico do corpo. O elemento de medição, ou elemento sensível, basear-se-á na variação dessa propriedade. Ao ser imerso no meio cuja temperatura quer-se determinar, o elemento de medição entrará em equilíbrio térmico com o meio. Será determinado, então, o valor do parâmetro físico escolhido, o que fornecerá, indiretamente, a temperatura do elemento sensível e, por extensão, a do meio em que ele se encontra. Entretanto, a escolha desse parâmetro físico não é fácil, pois ele deve variar somente por influência da temperatura, não dependendo de outros fatores e ainda possibilitar a medição através de métodos relativamente simples e cômodos. Na realidade, não existe nenhuma propriedade termométrica que satisfaça plenamente esses requisitos em toda a gama de temperaturas. As dificuldades básicas na medição de temperatura são, portanto, a influência de fatores externos sobre os dispositivos de medida e também a inércia térmica do sistema (que provoca atraso na resposta). 26 3.1.3. Escalas de Temperatura Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetros sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época para peso, distância e tempo. As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado", utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso. Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários. Se abaixarmos a temperatura de uma substância continuamente, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. Através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C. Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura e as escalas absolutas atualmente em uso são: a escala Kelvin e a Rankine. A escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível: 273,15 graus abaixo do zero da escala Celsius. A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas: Kelvin → 0 K e Rankine → 0 R (sem o símbolo de grau "°"). A escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado em favor da escala Celsius, de aceitação universal. A escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa, a Reamur, hoje praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 como o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (representação - °Re). 3.1.3.1. Conversão de Escalas A figura 3.1 relaciona as principais escalas de temperatura. 29 Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico. No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550°C, injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio. Por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmití-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica. A figura 3.2 ilustra alguns tipos de termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro e formas de utilização com suas respectivas proteções. Figura 3.2 – Tipos de termômetros de dilatação de líquido 3.2.1.3. Termômetro de Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um aumento de temperatura, dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Isto pode ser observado através da figura 3.3. Figura 3.3 – Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico 30 Características dos elementos básicos deste termômetro: • Bulbo Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com a sensibilidade desejada. LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (°C) Mercúrio -35 à +550 Xileno -40 à +400 Tolueno -80 à +100 Álcool 50 à +150 Tabela 3.2 - Líquidos mais usados e sua faixa de utilização • Capilar Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. • Elemento de medição O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser: tipo C, tipo espiral e o tipo helicoidal, ilustrados na figura 3.4. Figura 3.4 – Tipos de elementos de medição 31 Os materiais mais usados são bronze fosforoso, cobre-berílio, aço inox e aço- carbono. Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento deformável (elemento sensor) e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam o líquido do capilar e o elemento deformável (elemento sensor), causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B. Na classe 1B a compensação é feita somente no sensor, através de uma lâmina bimetálica (figura 3.5). Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de compensação é de aproximadamente 6 metros. Figura 3.5 – Compensador bimetálico (Classe 1B) Quando esta distância for maior, o instrumento deve possuir sistema de compensação classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição. O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um bulbo (figura 3.6). Figura 3.6 – Compensação total (Classe 1A) 34 Figura 3.8 – Termômetro a pressão de vapor LÍQUIDO PONTO DE FUSÃO (°C) PONTO DE EBULIÇÃO (°C) Cloreto de Metila -139 -24 Butano -135 -0,5 Éter Etílico -119 34 Tolueno -95 110 Dióxido de Enxofre -73 -10 Propano -190 -42 Tabela 3.2 – Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição 3.2.4. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) 3.2.4.1. Princípio de Funcionamento Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura (uma boa noção pode ser observada nas ilustrações da figura 3.9). 35 Figura 3.9 – Princípio de funcionamento do termômetro bimetálico 3.2.4.2. Características de Construção O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metal, com coeficientes de dilatação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade (figura 3.10). Figura 3.10 – Características de construção do termômetro bimetálico O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal (figura 3.11), e consiste em um tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente, utiliza-se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni), com baixo coeficiente de dilatação, e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos é de -50 a 800°C, aproximadamente, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1 %. Figura 3.11 – Termômetro bimetálico de lâmina helicoidal 36 3.2.5. Medição de Temperatura com Termopar Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao 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), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. A figura 3.12 mostra um desenho esquemático e os componentes de uma ligação para medição de temperatura por termopar. Figura 3.12 – Esquemático de ligação de um termopar 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. Nas aplicações práticas, o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura 3.13. Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta. 3.2.5.1. Efeito Termoelétrico de Seebeck Para medição de temperatura o efeito de interesse é o de Seebeck: “O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou 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. Denominamos a junta de medição de Tm e a outra junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck”. Figura 3.13 – Efeito termoelétrico de Seebeck 39 prática, padronizou-se a levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C. Figura 3.17 - Correlação da f.e.m. versus temperatura para os termopares TIPO POSITIVO NEGATIVO TEMP. MIN. (°C) TEMP. MAX. (°C) T Cobre Constantan -200 +350 J Ferro Constantan 0 +750 *E Chromel Constantan -200 +900 K Chromel Alumel -200 +1250 R Platina – Ródio 13% Platina 0 +1450 S Platina – Ródio 10% Platina 0 +1450 *B Platina – Ródio 30% Platina – Ródio 6% +800 +1700 * Pouco usados Tabela 3.3 – Composição e limites de temperatura para termopares Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90 para os termopares mais utilizados. A partir dessas tabelas, podemos construir um gráfico conforme a Figura 3.17, onde está relacionada a milivoltagem gerada em função da temperatura para os termopares, segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C. A tabela 3.3 mostra a composição dos termopares, polarização dos elementos e os limites de temperatura para utilização para cada um dos tipos. Fatores como local de instalação, custo, linearidade e f.e.m. por °C na temperatura de operação, devem ser considerados. 40 3.2.5.4. Tipos e Características dos Termopares Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.: devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura que seja detectável pelos equipamentos normais de medição. Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas, desde os mais corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratório. Essas combinações foram feitas de modo a obter-se uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características, como homogeneidade dos fios e resistência à corrosão na faixa de utilização Assim, cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho que deve ser respeitada para que se tenha a maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber: • Termopares básicos; • Termopares nobres; • Termopares especiais. 3.2.5.5. Correção da Junta de Referência As tabelas existentes da f.e.m., gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água). Porém, nas aplicações práticas dos termopares, a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta encontra-se à temperatura ambiente (normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo), tornando, assim, necessário que se faça uma correção (automática ou manual) da junta de referência. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente. Um dos métodos utilizados é a medição da temperatura nos terminais do instrumento através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona à milivoltagem que chega aos terminais uma milivoltagem correspondente à diferença de temperatura entre 0°C e a temperatura ambiente. Existem, também, alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro, que será maior quanto maior for a diferença entre a temperatura ambiente e o valor fixo. É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então, para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável. Para exemplificar, considere a Figura 3.18 com termopar tipo K. Figura 3.18 – Correção da junta de referência com termopar tipo K 41 Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor da temperatura correta que o termômetro deve medir é de 50°C. A leitura agora está correta, pois 2,023 mV corresponde a 50°C, que é a temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz a compensação da junta de referência automaticamente. A compensação da junta de referência pode ser feita manualmente: pega- se o valor da mV na tabela correspondente à temperatura ambiente e acrescenta-se o valor de mV lido por um milivoltímetro. 3.2.5.6. Fios de Compensação e Extensão Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condições, torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar àquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência. Definições: • Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido, e de cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível. • Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX. • Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das dos termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares. Exemplo : Tipo SX e BX. Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos para utilização, desde que a temperatura ambiente esteja até um limite máximo de 200°C. Outro fator importante é ter o cuidado de saber a norma técnica que o cabo utiliza, pois isto determina a cor da isolação e o seu tipo conseqüentemente, para que possamos aplicá-lo corretamente. 44 3.2.6. Associação de Termopares • Associação série Podemos ligar os termopares em série simples (figura 3.23) para obter a soma das mV individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizado em pirômetros de radiação total, ou seja, para soma de pequenas mV. Figura 3.23 – Associação série de termopares O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se compensar, deverá compensar uma mV correspondente ao no de termopares aplicados na associação. • Associação série-oposta Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos, ligamos os termopares em série oposta (figura 3.24). O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento. Os termopares sempre são do mesmo tipo. Exemplo: Os termopares estão medindo 56°C e 50°C respectivamente, e a diferença será medida pelo milivoltímetro. Figura 3.24 – Associação série oposta de termopares Não é necessário compensar a temperatura ambiente, desde que as juntas de referência estejam à mesma temperatura. 45 • Associação em paralelo Ligando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento (figura 3.25), teremos a média das mV geradas nos diversos termopares, se as resistências internas forem iguais. Figura 3.25 – Associação paralela de termopares 3.2.7. Termopares e Acessórios As figuras 3.26 à 3.28 ilustram termopares convencionais, em sua montagem, com e sem isoladores, cabeçote típico em conjunto com bloco de ligação e proteção de termopares. Figura 3.26 – Termopares convencionais Figura 3.27 – Cabeçote e bloco de ligação 46 Figura 3.28 – Poços de proteção para termopares Os termopares são, geralmente, montados dentro de tubos de proteção metálicos para torná-los resistentes a eventuais choques mecânicos e corrosão ou abrasão do fluído. • Termopar de isolação mineral O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica, detalhado pela figura 3.29. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior. Conseqüentemente, a durabilidade do termopar depende da resistência à corrosão da sua bainha e não da resistência à corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes. Figura 3.29 – Termopar de isolação mineral Como vantagens dos termopares de isolação mineral pode-se citar: 49 3.2.8.3. Características do Termômetro de Resistência de Platina Os termômetros de resistência Pt-100 (100Ω à 0°C) são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade dos termômetros de resistência de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270°C a 660°C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, devido a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características (resistência versus temperatura) dentro da faixa especificada de operação. Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade do termômetro de resistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando da medição novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio,,em que se realiza a medição, está sujeita a mudanças bruscas. Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura. Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada, e preenchidos todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si, sendo a extremidade aberta selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta (figura 3.31). Figura 3.31 – Encapsulamento de um termômetro de resistência de platina Vantagens: • Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; • Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação; • Dispensa utilização de fiação especial para ligação; • Se adequadamente protegidos, permite utilização em qualquer ambiente; • Têm boas características de reprodutibilidade; • Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens: • São mais caros do que os sensores utilizados nessa mesma faixa; • Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na temperatura máxima de utilização; • Temperatura máxima de utilização 630°C; • É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente; • Alto tempo de resposta. 50 3.2.8.4. Princípio de Medição Os termômetros de resistência são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4 . R2 = R3 . RI e, desta forma, não circula corrente pelo detector de nulo, pois, se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos (figura 3.32). Figura 3.32 – Circuito de medição tipo ponte de Wheatstone Para utilização deste circuito como instrumento de medida do termômetro de resistência, teremos as seguintes configurações: • Ligação a 2 fios Como se vê na figura 3.33, dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt100 (R4) à ponte do instrumento de medição. Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2, a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor. Figura 3.33 – Ponte de Wheatstone com ligação a dois fios 51 Tal disposição resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que haja algum tipo de compensação ou ajuste dos fios do sensor, de modo a equilibrar esta diferença de resistência. Deve-se notar que, embora a resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios, uma vez já instalados, os mesmos estão sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na medição. O método de ligação a dois fios somente deve ser usado quando o sensor estiver a uma distância de, aproximadamente, 3 metros. Concluindo, neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido à variação da resistência de linha. • Ligação a 3 fios Este é o método mais utilizado para termômetros de resistência na indústria. Neste circuito, a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha estavam em série com o sensor e na ligação a 3 fios, elas estão separadas (figura 3.34). Figura 3.34 - Ponte de Wheatstone com ligação a três fios Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da Pt100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação. Este tipo de ligação garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição. 3.2.9. Medição de Temperatura por Radiação Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso da pirometria óptica ou de radiação térmica. Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, enquanto o corpo está à temperatura não muito elevada. À medida que se aquece um corpo, a partir de 54 3.2.9.3. Pirômetros de Radiação São instrumentos que operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os sistemas mais simples; neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha (associação em série de termopares vista na figura 3.37) ou do tipo semicondutor (nos mais modernos), onde gera um sinal elétrico, no caso da termopilha, ou altera o sinal elétrico, no caso do semicondutor. Figura 3.37 – Esquema de uma termopilha Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os pirômetros de radiação são, em geral, portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos, a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados para o cálculo de temperaturas e seleção de valores. A figura 3.38 ilustra, esquematicamente, um pirômetro de radiação. O espelho côncavo B é de vidro recoberto com alumínio. O espelho D é similar ao B, mas com uma distância focal muito menor. As radiações emitidas pelo corpo entram no pirômetro através do vidro plano A. O espelho B forma uma imagem reduzida, porém definida, do corpo sobre o diafragma J. As radiações de uma área definida do corpo passam através da abertura C em sentido contrário às radiações incidentes e atingem o espelho D. O espelho D focaliza as radiações sobre a termopilha E que está localizada exatamente na distância focal de D. A imagem do corpo é focalizada observando-se a imagem formada no diafragma J através da lente H. 55 Figura 3.38 – Desenho esquemático de um pirômetro de radiação A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns pirômetros de radiação são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital. Os pirômetros de radiação são usados industrialmente onde: • As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares; • A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas falsas e pequena durabilidade ao par; • No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam o produto; • objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento; • Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques mecânicos ou impossibilidade de montagem. Ao considerar-se uma aplicação, deve-se levar em conta os seguintes dados: • A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação; • Sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo; • Material da fonte e sua emitância; • Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo para uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular); • As condições do ambiente, temperatura e poeira; • Velocidade do alvo. Os pirômetros de radiação operam numa faixa entre -30°C a 4000°C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundos a 98% da mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida. 56 3.2.10. Medição de Temperatura Superficial A medição de temperatura superficial é muito utilizada em usinas termoelétricas a fim de proteger equipamentos como o tambor, coletores e tubos dos superaquecedores da caldeira e a turbina. A instalação do sensor (geralmente termopar) requer cuidados especiais para não alterar a distribuição das temperaturas na superfície metálica em análise. Caso contrário a temperatura medida será diferente da temperatura real da superfície. Os principais fatores que afetam a precisão da medida são: • Transferência de calor entre o transmissor e a superfície devido a condutividade térmica do sensor; • Transferência de calor para o meio ambiente; • Modo de instalação do sensor. A figura 3.39 mostra três modos de instalação, para medição de temperatura superficial. O modo mais desfavorável é aquele mostrado em (a), pois existe uma grande dissipação de calor na superfície do tubo. Para reduzir a influência dessa dissipação de calor, pode-se aumentar a superfície de contato com o sensor através de uma placa metálica fina com elevado coeficiente de condutividade térmica. Essa placa deverá ser soldada a superfície (b). A quantidade de calor cedida é a mesma do modo anterior, mas o calor transferido por cada ponto da superfície de contato diminui devido a maior área. Em (c) está representada a melhor situação pois o calor transfere-se para uma extensão maior do sensor, diminuindo a perda de calor na junção do termopar. Recomenda-se que o comprimento do sensor em contato com a superfície seja de 150 a 200 vezes o seu diâmetro. Figura 3.39 – Modos de instalação de transmissores de temperatura superficial 59 Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por ∆P é que os mesmos podem ser aplicados a uma grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluidos com sólidos em suspensão, bem como fluidos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que este causa ao processo, sendo a placa de orifício o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do ∆P gerado). 4.2.2.2. Conceitos Básicos • Regimes de escoamento de fluidos em tubulações O escoamento de um fluido numa tubulação pode ser caracterizado por um dos seguintes regimes: o laminar e o turbulento. A corrente laminar se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do canal ou do tubo, sem passagem das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão. A corrente turbulenta, ao contrário, é caracterizada por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidades e pressões. O movimento das partículas é desordenado e suas trajetórias têm geralmente formas complicadas. • Número de Reynolds É o coeficiente que determina a não laminaridade do escoamento do fluído. Tal coeficiente é expresso pela relação: Onde: V = velocidade do fluído D = diâmetro da tubulação υ = coeficiente de viscosidade cinética • Distribuição de velocidades Nas medições de vazões na indústria, o regime de escoamento é turbulento na maioria dos casos. O regime turbulento é caracterizado por um perfil de velocidades mais uniforme que e perfil correspondente ao regime laminar. • Viscosidade A viscosidade é uma das mais importantes características dos fluidos, já que interfere diretamente no regime de escoamento do mesmo. • Equação da continuidade Supondo um fluxo em regime permanente em uma tubulação, não haverá acumulação de massa no volume compreendido entre as seções 1 e 2 (Figura 4.3 a seguir), pois, neste caso, pelo menos a massa específica variaria, deixando de ser regime permanente. • Principio de Bernoulli Supondo um fluido perfeito (ideal), que não possui viscosidade, seu deslocamento ocorre sem atrito e, portanto, sem perdas de energia, no entanto, a diferença de pressão 60 entre seções irá depender do peso específico e da diferença de altura entre seções (inclinação da tubulação). Figura 4.3 – Princípio de Bernoulli O enunciado de Bernoulli é o seguinte: “A pressão total de um fluído incompressível em regime permanente de escoamento sem perdas, mantém-se constante ao longo da tubulação”. A representação matemática do teorema é dada a seguir: Aplicando-se o teorema de Bernoulli às seções 1 e 2 da figura 4.3 e considerando a tubulação horizontal tem-se: Z1 = Z2 P1, P2 = pressões estáticas medida medidas nas seções 1 e 2, em Pa. δ = peso específico do fluído no trecho considerado, em N/m3. g = aceleração da gravidade, em m/S2. ϑ1, ϑ2 = velocidades médias do fluído nas seções 1 e 2, em m/s. 61 4.2.2.3 Instalação e Método de Medição de Vazão por ∆p Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão diferencial variável é através da placa de orifício. Uma instalação típica de medição por placa de orifício pode ser observada na figura 4.4. Figura 4.4 – Método de medição de vazão por ∆p para gases Podemos representar esquematicamente esta malha de medição através do fluxograma mostrado pela figura 4.5: Figura 4.5 – Fluxograma de uma malha de medição de vazão Partindo-se da Equação Geral de Bernoulli, conclui-se que a vazão só irá variar em função de , pois todos os outros parâmetros são constantes. Desta forma, podemos simplificar a expressão da vazão por: 64 Outro método de trabalho baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-se k = 10. Então: 8 m3/h equivale a 80% da vazão. Portanto: O sinal de saída de um transmissor de vazão por pressão diferencial variável altera-se linearmente em função do ∆P e quadraticamente em função da vazão. Portanto, quando é acoplado um indicador para fazer a leitura de vazão vinda do transmissor, sua escala deve ser quadrática para termos leitura direta. Para linearizar o sinal de saída do transmissor em função de vazão, faz-se necessário o uso de um extrator de raiz quadrada, conforme mostrado no fluxograma da figura 4.8. Figura 4.8 – Fluxograma de uma malha de vazão com extrator de raiz quadrada A pressão de entrada no extrator (EFY) é linearmente proporcional ao ∆P e a pressão de saída do extrator (SFY), é linearmente proporcional à vazão Q. A tabela 4.2 mostra esta relação. Q (%) SFY (psi) EFY (psi) ∆P (%) 0 3 3 0 50 9 6 25 ..... ..... ..... ..... 100 15 15 100 Tabela 4.2 – Relação da vazão x ∆P com o extrator de raiz quadrada 65 Portanto: Supondo que na entrada do extrator a pressão seja 10,68 psi, qual a pressão em sua saída? 4.2.2.4. Placa de Orifício Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum é a placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. A figura 4.9, ilustra, com um detalhe em corte, uma placa de orifício montada entre os flanges. Figura 4.9 – Placa de orifício montada entre flanges 66 É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se ficarem imprecisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente, é fabricada em aço inox, monel, latão, etc., dependendo do fluido. VANTAGENS DESVANTAGENS Instalação fácil Alta perda de carga Econômica Baixa Rangeabilidade Construção simples Manutenção e troca simples 4.2.2.4.1. Tipos de Orifícios Pode-se observar na figura 4.10, alguns tipos de placas de orifício. Figura 4.10 – Tipos de orifícios • Orifício concêntrico Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. • Orifício excêntrico Utilizado quando o fluido possue sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo. • Orifício segmental Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão 4.2.2.4.2. Tipos de Bordo • Bordo quadrado (aresta viva) Usado em tubulações normalmente maiores que 6" e não usado em fluxo com baixo Número de Reynolds (Re). Este tipo de orifício é ilustrado pela figura 4.11a. a b 69 Figura 4.12 – Diferentes betas (β) • Tomadas na vena contracta (D e D/2): usadas em tubulações de 2" a 30" com Ne entre 8000 e 400000 para β entre 0,15 e 0,75. • Tomadas de canto: são construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento. • Tomadas de tubulação: possuem o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e perdem muita precisão devido à rugosidade do tubo. 4.2.2.5. Tubo Venturi O tubo Venturi combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges numa tubulação. Figura 4.13 – Tubo de Venturi 70 O propósito do tubo de Venturi é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. A recuperação de pressão é bastante eficiente, como pode ser visto na Figura 4.13, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta. Em geral, utilizam-se quatro furos espaçados de 90° em torno do tubo para fazer a tomada de pressão. Eles são interligados por meio de um anel, chamado anel piezométrico, que é destinado a obter a média das pressões em torno do ponto de medição. Na figura 4.14 podem ser vistos detalhes de construção de um tubo de Venturi. Figura 4.14 – Detalhes de construção de um dispositivo Venturi Onde: D = Diâmetro interno da tubulação d = diâmetro da garganta a = Localização da tomada de impulso de alta pressão. 0,25D a 0,75D para 4" < D < 6" 0,25D a 0,50D para 6" < D < 32" b = Localização da tomada de baixa pressão = "d"/2 c = comprimento da garganta igual a "d" δ = Diâmetro interno da tomada de impulso 3/16 a 1/2" r1 = 0 a 1,375D r2 = 3,5 a 3,75D α1=21°f2° α2 = 5° a 15° 71 4.2.2.6. Bocal O bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos, um meio termo entre a placa de orificio e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluido é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluida até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado para tubulações com diâmetro maior que 50 mm. Figura 4.15 – Bocal de vazão As tomadas de pressão são, normalmente, localizadas a 1D (à montante) e 1/2D (à jusante) da face anterior ao bocal, como ilustrada na figura 4.15. A perda permanente de pressão do bocal é levemente inferior a da placa de orifício. A precisão depende de suas dimensões físicas, características de construção e da instalação completa. Considerando somente o bocal, a precisão pode variar na faixa de 0,5% a 1,5%, dependendo do diâmetro (a precisão diminui com a diminuição do diâmetro). 74 Figura 4.18 – Câmaras de pressão do medidor tipo Annubar A diferença de pressão é proporcional à raiz quadrada da vazão, assim como os medidores anteriores. 4.2.2.9. Compensação da Pressão e da Temperatura Quando se medem gases e vapores, a densidade do fluido variará dependendo da pressão e da temperatura. Por isso, é preciso efetuar a correção com compensação para essa variação. A equação para efetuar a correção se escreve na seguinte forma: Onde: Q = vazão k = constante PA = pressão absoluta, bar TA = temperatura absoluta, Kelvin ∆P = pressão diferencial, bar A Figura 81 mostra um exemplo de malha para este tipo de aplicação. 75 Figura 4.19 – Malha de vazão com compensação de temperatura e pressão 4.2.3. Medidores de Vazão por ∆P Constante (área variável) Os dispositivos de pressão diferencial até agora considerados têm por base restrições de dimensão fixa, e a pressão diferencial criada através deles modifica-se com a vazão. Existem, contudo, dispositivos nos quais a área da restrição pode ser modificada para manter constante o diferencial de pressão enquanto muda a vazão. Um exemplo deste tipo de medidor é o rotâmetro. 4.2.3.1. Rotâmetros Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: • Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em que passará o fluido cuja vazão queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima. • No interior do tubo cônico, teremos um flutuador que se moverá verticalmente em função da vazão medida. 76 A figura 4.20 mostra detalhes de um rotâmetro típico. Figura 4.20 - Rotâmetro 4.2.3.2. Princípio de Funcionamento O fluido passa através do tubo, da base para o topo. Quando não há vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador. A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, o flutuador sobe e flutua na corrente fluida. Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular, entre a parede do tubo de vidro e a periferia do flutuador, aumenta. Como a área aumenta, o diferencial de pressão, devido ao flutuador, decresce. O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial, através do flutuador somada ao efeito do empuxo, contrabalançar o peso do flutuador. Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição do flutuador corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É necessário colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo, e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador. Mantendo-se a temperatura e viscosidade constantes, conclui-se que a vazão varia linearmente com a área de passagem e, assim, teremos uma escala de leitura também linear. 4.2.3.3. Tipos de Flutuadores Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na Figura 4.21, podem ser vistos os tipos mais utilizados: 79 Figura 4.22 – Medidor eletromagnético de vazão A figura 4.23 mostra detalhes de construção de um medidor magnético de vazão. Figura 4.23 – Detalhes construtivos do medidor magnético de vazão 4.2.4.1.3. Estrutura do Detector • Revestimento Para se conseguir retirar um sinal elétrico proporcional à vazão, é necessário que o interior do tubo seja isolado eletricamente. Se isto não for feito, a f.e.m. será curto- circuitada e, dessa forma, não estará presente nos eletrodos. Se o tubo fosse de material isolante, não haveria problema, mas, geralmente, o tubo é feito de material condutor. Para evitar que a f.e.m. seja curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, utiliza-se um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. A escolha do material isolante é feita em função do tipo de fluido. • Eletrodo 80 Eletrodos são dois condutores instalados na parede do tubo para receber a tensão induzida no fluido. Existem vários materiais de fabricação, tais como: aço inox, monel, hastelloy, platina e outros que dependem do tipo de fluido a ser medido. • Tubo detector O tubo do medidor não pode ser de material ferromagnético, tal como aço ou níquel, pois os mesmos causam distúrbios no campo eletromagnético. Na prática, o aço inox é o mais usado. • Influência da condutividade A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser sempre considerada, pois ela depende de determinadas combinações entre o elemento primário e o secundário. Não há problema de influência de condutividade do fluido sobre a precisão da medição, desde que seja superior aos limites recomendados, porém, se decai do valor de projeto, ocasiona um erro considerável na indicação. 4.2.4.2. Medidor Tipo Turbina O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido. Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. À medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se, então, a indução de um ciclo de tensão alternada (figura 4.24). Figura 4.24 – Medidor de vazão tipo turbina A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido, e a vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos. 4.2.4.2.1. Influência da Viscosidade 81 Como visto acima, a freqüência de saída do sensor é proporcional à vazão, de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão k, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos (pulsos) por unidade de volume. Numa turbina ideal, este valor k seria uma constante independente da viscosidade do fluido medido. Observa-se, entretanto, que, à medida que a viscosidade aumenta, o fator k deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da viscosidade e da freqüência de saída da turbina. Abaixo de 2 cSt (centi Stokes) de viscosidade, o coeficiente k é aproximadamente constante para freqüências de saída acima de 50 Hz . 4.2.4.3. Medidor por Efeito Coriolis É um instrumento de sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade nas indústrias alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc., e sua medição independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluido. Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e transmissor (como ilustrado pela figura 4.25). Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta, causando uma deformação, isto é, uma torção que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais. Figura 4.25 – Medidor por efeito Coriolis As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição á passagem do fluido na sua região de entrada (região da bobina 1 – figura 4.26) e, em oposição, auxiliam o fluido na região de saída dos tubos. O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD (Termômetro de Resistência) é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura. O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas de 4 a 20 mA, de freqüência (0 a 10 KHz) e até digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada ou para PLCs, SDCDs, etc. 84 Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluidos que contém partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nestes medidores (Figura 4.29), um transdutor-emissor-receptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-receptores formam com o eixo da tubulação um ângulo α. Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra- sônicas de duração pequena, ou seja, os pulsos saem de ambos os transdutores ao mesmo tempo, mas podem chegar com um tempo diferente caso haja vazão. Figura 4.29 – Medidores de tempo de trânsito 85 5. NÍVEL 5.1. INTRODUÇÃO Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata- se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível: • Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. • Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc. • Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. 5.2. MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL A medição de nível de um material em um reservatório pode ser feita de três modos: • Direto • Indireto • Descontínuo 5.2.1. Medição de Nível Direta É a medição que tomamos como referência à posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. 5.2.1.1. Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada (Figura 5.1), a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. Figura 5.1 – medição de nível por réguas graduadas 86 A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido. 5.2.1.2. Visores de Nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. O princípio dos vasos comunicantes exige que as densidades dos fluídos no interior do reservatório e no visor sejam iguais. Esta medição pode ser feita em tanques abertos e tanques fechados. A figura 5.2 mostra detalhes de visores de nível. Figura 5.2 – Visor de nível Em caldeiras se utilizam visores mais robustos capazes de suportar condições de pressão e temperatura elevadas. O princípio de funcionamento dos visores de caldeira é o equilíbrio dinâmico das colunas liquidas no interior do tambor e no visor. Existe uma circulação de condensado do visor para o tambor e de vapor do tambor para o visor. Como a temperatura média no interior do visor é inferior à temperatura do tambor (devido as perdas de calor presentes) o nível do visor geral mente é menor que o real. Por exemplo, uma caldeira operando a 110 bar (318°C) apresenta um erro de 50mm quando a temperatura de água no visor é de 150°C. o nível real estará acima do indicado no visor, pois a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura. A minimização do erro pode ser obtida instalando-se o visor o mais próximo possível do tambor, isolando termicamente as conexões, tubulações e válvulas do lado condensado. Figura 5.3 – Visor de nível em tanque fechado 89 5.2.2. Medição de Nível Indireta Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas. 5.2.2.1. Medição de Nível com Manômetros A medição de nível de um tanque aberto contendo liquido poderá ser efetuada medindo-se a pressão exercida pela coluna líquida através de um manômetro de baixa pressão. A figura 5.8 mostra uma configuração típica. Figura 5.8 – Medição de nível com manômetro A unidade usada comumente é o metro de H20. Sendo L (metro) a altura do líquido no reservatório e G a densidade especifica do líquido em relação a água a 20°C, a pressão exercida no manômetro será: O valor de G é definido como a relação entre a massa específica do líquido na temperatura de serviço e a massa específica da água a 20°C. 5.2.2.2. Medição por Pressão Diferencial Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líquido. A figura 5.9 ilustra a instalação típica para a medição de nível do tambor de uma caldeira. Figura 5.9 – Medição de nível em tanque pressurizado 90 A pressão diferencial medida é uma indicação correta do nível do líquido no interior do tanque, somente se a densidade do fluido do processo permanecer constante. Nas caldeiras modernas de elevada capacidade com tambor, a informação do medidor de pressão diferencial é corrigida por um sinal proporcional a massa específica dos fluidos no interior do tambor. Esse fator de correção é normalmente derivado de um medidor de pressão do tambor. • Supressão de Zero Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso e se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real. A figura 5.10 ilustra este tipo de montagem. Figura 5.10 – Medição de nível com supressão de zero • Elevação de Zero Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. A figura 5.11 apresenta um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação de zero, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível. 91 Figura 5.11 – Medição de nível com elevação de zero 5.2.2.3. Medição de Nível com Borbulhador Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor à distância. Figura 5.11 – Medição de nível com borbulhador