Instrumentação emProcessos Industriais Ipojuca Dezembro, 2009 Índice de Conteúdos Índice de Conteúdos ......................................................................................................... 2 1. Introdução à Instrumentação ........................................................................................ 5 1.1. Terminologia ......................................................................................................... 7 1.2.1. Faixa de Medida (Range) ............................................................................... 7 1.2.2. Alcance (Span) ............................................................................................... 7 1.2.3. Erro ................................................................................................................. 7 1.2.4. Exatidão .......................................................................................................... 8 1.2.5. Rangeabilidade (Largura da faixa) ................................................................. 8 1.2.5. Zona Morta ..................................................................................................... 9 1.2.6. Sensibilidade................................................................................................... 9 1.2.7. Histerese ......................................................................................................... 9 1.2.8. Repetibilidade ................................................................................................. 9 1.2.9. Linearidade ................................................................................................... 10 1.2. Funções dos Instrumentos ................................................................................... 10 1.3. Identificação dos Instrumentos ............................................................................ 11 1.4. Telemetria ............................................................................................................ 16 1.4.1. Transmissores ............................................................................................... 17 1.4.2. Transmissão Pneumática .............................................................................. 17 1.4.3. Transmissão Eletrônica ................................................................................ 18 1.4.4. PROTOCOLO HART (Highway Adress Remote Transducer) ................... 18 1.4.5. Fieldbus ........................................................................................................ 19 Exercícios ............................................................................................................... 20 2. Medição de Pressão .................................................................................................... 21 2.1. Introdução ............................................................................................................ 21 2.2. Definições Básicas .............................................................................................. 21 2.2.1. Sólido ............................................................................................................ 21 2.2.2. Líquidos ........................................................................................................ 21 2.2.3. Gás ................................................................................................................ 21 2.2.4. Fluido ............................................................................................................ 22 2.2.5. Massa Específica .......................................................................................... 22 2.2.6. Densidade Relativa ....................................................................................... 22 2.2.7. Peso Específico ............................................................................................. 22 2.2.8. Gravidade Específica .................................................................................... 22 2.3. Definição de Pressão .......................................................................................... 23 2.3.1. Pressão Estática ............................................................................................ 23 2.3.2. Pressão Dinâmica ......................................................................................... 23 2.3.3. Pressão Total ................................................................................................ 23 2.4. Tipos de Pressão Medidas ................................................................................... 24 2.4.1. Pressão absoluta ............................................................................................ 24 2.4.2. Pressão manométrica .................................................................................... 24 2.4.3. Pressão diferencial ........................................................................................ 24 2.4.5. Relação entre Tipos de Pressão Medida ....................................................... 25 2.5. Unidades de Pressão ............................................................................................ 25 2.6. Técnicas de Medição de Pressão ......................................................................... 26 2.6.1. Introdução ..................................................................................................... 26 2.6.2. Composição dos Medidores de Pressão ....................................................... 26 2.7. Principais Tipos de Medidores ............................................................................ 27 2.7.1. Manômetros .................................................................................................. 27 2.7.2. Manômetros de Líquidos .............................................................................. 27 2.7.3. Manômetro de Líquido Tipo Coluna em “U” ............................................... 28 2.7.4. Manômetro de Líquido Tipo Coluna Reta Vertical ...................................... 30 2.7.5 Manômetro de Líquido Tipo Coluna Inclinada ............................................. 31 2.7.5 Manômetro do Tipo elástico .......................................................................... 33 2.7.6 Manômetro Elástico do Tipo Tubo Bourdon ................................................. 34 2.7.6. Manômetro do Tipo Membrana ou Diafragma............................................. 36 2.7.7. Manômetro do Tipo Fole .............................................................................. 36 2.8. Outros Elementos Sensores Usados para Medir Pressão..................................... 37 2.8.1. Tipo Capacitivo ............................................................................................ 37 2.8.2. Tipo Strain Gauge......................................................................................... 38 2.8.3 Tipo Sensor Piezoelétrico .............................................................................. 40 3. Medição de Temperatura ............................................................................................ 42 3.1. Conceitos Fundamentais ...................................................................................... 42 3.1.1. Transmissão de Calor ................................................................................... 42 3.2. Medição de Temperatura ..................................................................................... 43 3.3. Escalas de Temperatura ....................................................................................... 44 3.4 Conversões de Escalas de Temperatura................................................................ 45 3.5. Medidores de Temperatura .................................................................................. 46 3.6. Líquido ................................................................................................................ 47 3.6.1. Termômetros de Dilatação de Líquido em Recipiente de Vidro .................. 47 3.6.2. Termômetro de Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico ................... 49 3.7. Termômetros a Pressão de Gás ............................................................................ 50 3.7.1. Princípio de Funcionamento ......................................................................... 51 3.8. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) ....................... 51 3.8.1. Princípio de Funcionamento ......................................................................... 51 3.8.2. Características de Construção ....................................................................... 52 3.9. Medição de Temperatura com Termopar ............................................................ 53 3.9.1. Efeito Termoelétrico de Seebeck .................................................................. 54 3.9.2. Leis Termoelétricas ...................................................................................... 55 3.9.3. Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura ....................................... 57 3.10 Tipos e características dos termopares ............................................................... 58 3.10.1. Termopares básicos .................................................................................... 58 3.10.1 Termopares Nobres...................................................................................... 60 3.11. Medição de Temperatura por Termorresistência ............................................... 63 3.11.1. Princípio de funcionamento ........................................................................ 63 3.11.2. Vantagens e Desvantagens dessa Medição ................................................. 64 4. Medição de Nível........................................................................................................ 65 4.1. Introdução ............................................................................................................ 65 4.2. Métodos de medição de nível de líquido ............................................................. 65 4.3.1 Medidor de Nível Tipo Régua ou Gabarito ................................................... 65 4.3.2 Visores de Nível ............................................................................................ 66 4.3.3 Medidor de Nível tipo Flutuador ................................................................... 69 4.3.3 Medição de Nível por Empuxo...................................................................... 72 4.3.4 Medidor de Nível Tipo Pressão Diferencial .................................................. 73 4.3.5. Medidor de Nível tipo Borbulhador ............................................................. 76 4.3.6. Medidor de Nível Tipo Capacitivo ............................................................... 78 4.3.6. Medidor de Nível por Ultrasom ................................................................... 79 4.6.7. Medição de Nível por Radar ......................................................................... 80 4.5.1. Medição de Nível Descontínua por Condutividade ...................................... 80 4.5.2. Medição de Nível Descontínua por Bóia ...................................................... 81 5. Medição de Vazão ...................................................................................................... 82 5.1. Introdução ............................................................................................................ 82 5.2 Definição .............................................................................................................. 82 5.3. Vazão Volumétrica .............................................................................................. 82 5.4. Unidades de Vazão Volumétricas ..................................................................... 83 5.8.1. Medidores de Quantidade por Pesagem ....................................................... 84 5.8.2. Medidores de Quantidade Volumétrica ........................................................ 84 5.9.1. Medição de Vazão por Pressão Diferencial .................................................. 85 5.9.2. Medição de Vazão por Área Variável .......................................................... 85 5.10.1. Placa de Orifício ......................................................................................... 87 5.10.2. Tipos de orifícios ........................................................................................ 88 Orifício Segmental .................................................................................................. 90 5.10.2. Tubo de Venturi .......................................................................................... 90 5.11.1. Medidor Eletromagnético de Vazão ........................................................... 91 5.11.2. Medidor Tipo Turbina ................................................................................ 92 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 94 1. Introdução à Instrumentação Instrumentação é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos tais como siderúrgica, petroquímica, alimentícia, papel, etc.; a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo fazendo com que toda energia cedida seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: pressão, nível, vazão, temperatura; as quais se denominam variáveis de um processo. Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e descontínuos. Em ambos os tipos devem-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 realizar 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. Como exemplo, mostra-se abaixo um sistema de aquecimento de água. A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. O meio controlado é a água. A variável controlada é a temperatura da água (é o que de fato, se quer obter). A variável manipulada (aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado) neste caso, é o vapor. Na figura 1 vemos o sistema de aquecimento atuando em malha aberta, além de sua representação em diagrama de blocos, e na figura 2, o sistema atuando em malha de controle fechada com seu respectivo diagrama de blocos. Note que, em malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo. Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo. Figura 1 – Controle de Malha Aberta Figura 2 – Controle de Malha Fechada 1.1. Terminologia Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (química, siderúrgica, papel, etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos que intervêm diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industrial. 1.2.1. Faixa de Medida (Range) Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos. Exemplo: 100 a 500m3 e 0 a 20psi 1.2.2. Alcance (Span) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 100 m3 a 500 m3 Seu span é de 400 m3. 1.2.3. Erro É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou menos. Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamada de erro dinâmico. 1.2.4. Exatidão Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro. A exatidão pode ser descrita de três maneiras: Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.) Percentual do Span (% do span) Percentual do Valor Lido (% do V.L.) Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 °C e valor medido 100°C, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições: Exatidão 1 % do Fundo de Escala Valor real = 100°C ± (0,01 x 250) = 100°C ± 2,5°C Exatidão 1 % do Span Valor real = 100°C ± (0,01 x 200) = 100°C ± 2,0°C Exatidão 1 % do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100°C ± (0,01 x 100) = 100°C ± 1,0°C 1.2.5. Rangeabilidade (Largura da faixa) É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, a exatidão será respeitada entre 30 e 300 GPM. 1.2.5. Zona Morta É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento. Exemplo: Um instrumento com range de 0 ºC à 200 ºC, possui uma zona morta de ± 0,1% do span. A zona morta do instrumento pode ser calculada da seguinte forma: Sendo, ± 0,1% = ± 0,1/100 = ± 0,001, teremos: 0,001. 200 = ± 0,2 ºC 1.2.6. 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: 1.2.7. 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. 1.2.8. 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. 1.2.9. Linearidade É o desvio máximo da indicação obtida tomando com referência a reta que une os pontos referentes a 0% e 100% da escala. 1.2. Funções dos Instrumentos Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Figura 3 – Configuração dos Elementos de uma Malha de Controle Tabela 1 - Funções dos instrumentos Figura 4 – Aparência de Alguns Instrumetos: (a) Controlador, (b) Indicador), (c) Registrador, (d) Transmissor, (e) Transdutor, (f) Elemento Final de Controle (no caso, uma válvula) 1.3. Identificação dos Instrumentos Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America). 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. A tabela 2 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma estabelecida. Tabela 2 - Identificação de instrumentos de acordo com a norma ISA-S5 Onde: P - Variável medida – Pressão R - Função passiva ou de informação – Registrador C - Função ativa ou de saída – Controlador 001 - Área de atividade onde o instrumento atua 02 - Número seqüencial da malha A - Sufixo A figura 5 apresenta a simbologia dos sinais utilizados nos fluxogramas de processo e segue a Norma ANSI/ISA-S5.1 Figura 5 – Símbolos de Sinais de Fluxo Na figura 6 podem ser vistos os símbolos de instrumentos utilizados nos fluxogramas de processo, com os quais pode-se definir em que local da planta o instrumento está localizado. Figura 6 - Símbolos de instrumentos utilizados em fluxogramas Tabela 3 - Identificação Funcional dos Instrumentos Abaixo são mostrados alguns arranjos típicos de alguns instrumentos. São eles: 1.4. 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. 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. 1.4.1. Transmissores Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e 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. 1.4.2. Transmissão Pneumática Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15psi (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 100kPa. Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, adotam-se as faixas de 0,2 a 1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15psi. O alcance do sinal no sistema métrico é cerca de 5% menor que o sinal de 3 a 15psi. 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-se que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim 3psi ou 0,2kgf/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 2000C e o mesmo mantivesse o bulbo a 00C e um sinal de saída de 1psi, este estaria descalibrado. Se o valor mínimo de saída fosse 0psi, 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). 1.4.3. 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 tais 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 15psi 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), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo. 1.4.4. PROTOCOLO HART (Highway Adress Remote Transducer) Consiste num sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1.200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre/escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente. As vantagens do protocolo Hart são as seguintes: Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento). 1.4.5. Fieldbus É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, como mostra a Figura 11. Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais como: transmissores, válvulas, controladores, CLP etc. Eles podem ser de fabricantes diferentes (interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável – pressão, vazão, temperatura etc.). Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo. Apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus, como se pode observar na Figura 11. Figura 7 – Sistema Fieldbus Exercícios 1) No diagrama P&I acima identifique todos os instrumentos: 2) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão comecem com um valor maior que zero (exp: 1~5 Volts , 4~20 mA, 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2 , 3 ~ 15 PSI) ? 2. Medição de Pressão 2.1. Introdução Como já foi escrito, a instrumentação é a ciência que se ocupa em desenvolver aplicar técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos de transformação, visando a otimização da eficiência dos mesmos. Essas técnicas são normalmente suportadas teoricamente em princípios físicos e ou físico-químicos e utiliza-se das mais avançadas tecnologias de fabricação para viabilizar os diversos tipos de medição de variáveis industriais. Dentre essas variáveis encontra-se a pressão cuja medição possibilita não só sua monitoração e controle como também de outras variáveis tais como nível, vazão e densidade. Assim por ser sua compreensão básica para o entendimento de outras áreas da instrumentação iniciaremos revisando alguns conceitos físicos importantes para medição de pressão. 2.2. Definições Básicas 2.2.1. Sólido Toda matéria cuja forma não muda facilmente quando submetida à uma força. 2.2.2. Líquidos Toda matéria cuja forma pode ser mudada facilmente quando submetida à uma força, porém sem mudar o volume. 2.2.3. Gás Toda matéria cuja forma e volume podem ser mudados facilmente quando submetida à força. 2.2.4. Fluido Toda matéria cuja forma pode ser mudada e por isso é capaz de se deslocar. Ao ato de se deslocar é caracterizado como escoamento e assim chamado de fluido. 2.2.5. Massa Específica Também chamada de densidade absoluta é a relação entre a massa e o volume de uma determinada substância. É representada pela letra Ró () e no SI pela unidade (kg/m3). 2.2.6. Densidade Relativa Relação entre massa específica de uma substância A e a massa específica de uma substância de referência, tomadas à mesma condição de temperatura e pressão. Nota: 1 - Para líquidos a densidade de uma substância tem como referência a água destilada a 4ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade. 2 - Para gases e vapores a densidade de uma substância tem como referência o ar a 15ºC e 1 atm cujo valor foi convencionado ser igual a unidade. 2.2.7. Peso Específico Relação entre peso e o volume de uma determinada substância. É representado pela letra gama () e cuja unidade usual é kgf/m3. 2.2.8. Gravidade Específica Relação entre a massa de uma substância e a massa de um mesmo volume de água, ambos tomados à mesma temperatura. 2.3. Definição de Pressão Pode ser definida como sendo a relação entre uma força aplicada perpendicularmente (90º) à uma área (fig. 4) e é expressa pela seguinte equação: Figura 7 - Exemplo de aplicação de uma força em uma superfície (10 Kgf/cm2). A pressão pode ser também expressa como a somatória da pressão estática e pressão dinâmica e assim chamada de pressão total. 2.3.1. Pressão Estática É a pressão exercida em um ponto, em fluidos estáticos, que é transmitida integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. 2.3.2. Pressão Dinâmica É a pressão exercida por um fluido em movimento paralelo à sua corrente. A pressão dinâmica é representada pela seguinte equação: Pd =1/2. . V2 (N/m2) 2.3.3. Pressão Total É a pressão resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento. 2.4. Tipos de Pressão Medidas A pressão medida pode ser representada pela pressão absoluta, manométrica ou diferencial. A escolha de uma destas três depende do objetivo da medição. A seguir será definido cada tipo, bem como suas inter-relações e unidades utilizadas para representá-las. 2.4.1. Pressão absoluta É a pressão positiva a partir do vácuo perfeito, ou seja, a soma da pressão atmosférica do local e a pressão manométrica. Geralmente coloca-se a letra A após a unidade. Mas quando representamos pressão abaixo da pressão atmosférica por pressão absoluta, esta é denominada grau de vácuo ou pressão barométrica. 2.4.2. Pressão manométrica É a pressão medida em relação à pressão atmosférica existente no local, podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra “G” após a unidade para representá-la. Quando se fala em uma pressão negativa, em relação à pressão atmosférica chamamos pressão de vácuo. 2.4.3. Pressão diferencial É o resultado da diferença de duas pressões medidas. Em outras palavras, é a pressão medida em qualquer ponto, menos no ponto zero de referência da pressão atmosférica. 2.4.5. Relação entre Tipos de Pressão Medida A figura abaixo mostra graficamente a relação entre os três tipos de pressão medida. Figura 8 – Diagrama de Escalas 2.5. Unidades de Pressão A pressão possui vários tipos de unidade. Os sistemas de unidade MKS, CGS, gravitacional e unidade do sistema de coluna de líquido são utilizados tendo como referência a pressão atmosférica e são escolhidas, dependendo da área de utilização, tipos de medida de pressão, faixa de medição, etc. Em geral são utilizados para medição de pressão, as unidades Pa, N/m², kgf/cm², mHg, mH2O, lbf/pol2, Atm e bar. A seleção da unidade é livre, mas geralmente deve-se escolher uma grandeza para que o valor medido possa estar na faixa de 0,1 a 1000. Assim, as sete unidades anteriormente mencionadas, além dos casos especiais, são necessárias e suficientes para cobrir as faixas de pressão utilizadas no campo da instrumentação industrial. Suas relações podem ser encontradas na tabela de conversão a seguir. Tabela 4 – conversão de Unidades 2.6. Técnicas de Medição de Pressão 2.6.1. Introdução A medição de uma variável de processo é feita, sempre, baseada em princípios físicos ou químicos e nas modificações que sofrem as matérias quando sujeitas às alterações impostas por essa variável. A medição da variável pressão pode ser realizada baseada em vários princípios, cuja escolha está sempre associada às condições da aplicação. Nesse tópico serão abordadas as principais técnicas e princípios de sua medição com objetivo de facilitar a análise e escolha do tipo mais adequado para cada aplicação. 2.6.2. Composição dos Medidores de Pressão Os medidores de pressão de um modo geral podem ser divididos em três partes, sendo fabricado pela associação destas partes ou mesmo incorporado a conversores e ai recebendo o nome de transmissores de pressão. As três partes são: Elemento de recepção: Aquele que recebe a pressão a ser medida e a transforma em deslocamento ou força (ex: Bourbon, fole, diafragma). Elemento de transferência: Aquele que amplia o deslocamento ou a força do elemento de recepção ou que transforma o mesmo em um sinal único de transmissão do tipo elétrica ou pneumática, que é enviada ao elemento de indicação (ex: links mecânicos, relé piloto, amplificadores operacionais). Elemento de indicação: Aquele que recebe o sinal do elemento de transferência e indica ou registra a pressão medida (ex: ponteiros, displays). 2.7. Principais Tipos de Medidores 2.7.1. Manômetros São dispositivos utilizados para indicação local de pressão e em geral divididos em duas partes principais: o manômetro de líquidos, que utiliza um líquido como meio para se medir a pressão, e o manômetro tipo elástico que utiliza a deformação de um elemento elástico como meio para se medir pressão. A tabela 5 classifica os manômetros de acordo com os elementos de recepção. Tabela 5 – Tipos de Manômetros 2.7.2. Manômetros de Líquidos A) Princípio de funcionamento e construção: É um instrumento de medição e indicação local de pressão baseado na equação manométrica. Sua construção é simples e de baixo custo. Basicamente é constituído por tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala graduada, um líquido de enchimento e suportados por uma estrutura de sustentação. O valor de pressão medida é obtida pela leitura da altura de coluna do líquido deslocado em função da intensidade da referida pressão aplicada. B) Líquidos de enchimento A princípio qualquer líquido com baixa viscosidade, e não volátil nas condições de medição, pode ser utilizado como líquido de enchimento. Entretanto, na prática, a água destilada e o mercúrio são os líquidos mais utilizados nesses manômetros. C) Faixa de medição Em função do peso específico do líquido de enchimento e também da fragilidade do tubo de vidro que limita seu tamanho, esse instrumento é utilizado somente para medição de baixas pressões. Em termos práticos, a altura de coluna máxima disponível no mercado é de 2 metros e assim a pressão máxima medida é de 2 mH2O caso se utilize água destilada, e 2 mHg com utilização do mercúrio. 2.7.3. Manômetro de Líquido Tipo Coluna em “U” O tubo em “U” é um dos medidores de pressão mais simples entre os medidores para baixa pressão. É constituído por um tubo de material transparente (geralmente vidro) recurvado em forma de U e fixado sobre uma escala graduada. A figura mostra três formas básicas. Figura 9 – Manômetros em “U” No tipo (a), o zero da escala está no mesmo plano horizontal que a superfície do líquido quando as pressões P1 e P2 são iguais. Neste caso, a superfície do líquido desce no lado de alta pressão e, conseqüentemente sobe no lado de baixa pressão. A leitura se faz, somando a quantidade deslocada a partir do zero nos lados de alta e baixa pressão. No tipo (b), o ajuste de zero é feito em relação ao lado de alta pressão. Neste tipo há necessidade de se ajustar a escala a cada mudança de pressão. No tipo (c) a leitura é feita a partir do ponto mínimo da superfície do líquido no lado de alta pressão, subtraída do ponto máximo do lado de baixa pressão. A leitura pode ser feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa pressão a partir do mesmo nível do lado de alta pressão, tomando como referência o zero da escala. A faixa de medição é de aproximadamente 0 ~ 2000 mmH2O/mmHg. Figura 10 – Cálculo da Pressão Manométrica Figura 11 - Exemplos de manômetros em “U” 2.7.4. Manômetro de Líquido Tipo Coluna Reta Vertical O emprego deste manômetro é idêntico ao do tubo em “U”. Nesse manômetro as áreas dos ramos da coluna são diferentes, sendo a pressão maior aplicada normalmente no lado da maior área. Essa pressão, aplicada no ramo de área maior provoca um pequeno deslocamento do líquido na mesma, fazendo com que o deslocamento no outro ramo seja bem maior, face o volume deslocado ser o mesmo e sua área bem menor. Chamando as áreas do ramo reto e do ramo de maior área de “a” e “A” respectivamente e aplicando pressões P1 e P2 em suas extremidades teremos pela equação manométrica: P1 - P2 = .(h2 + h1) Como o volume deslocado é o mesmo, teremos: Substituindo o valor de h1 na equação manométrica, teremos: Como “A” é muito maior que “a”, equação anterior pode ser simplificada e reescrita. Assim teremos a seguinte equação utilizada para cálculo da pressão. Figura 12 - Manômetro de Coluna Vertical 2.7.5 Manômetro de Líquido Tipo Coluna Inclinada Este Manômetro é utilizado para medir baixas pressões na ordem de 50 mmH2O. Sua construção é feita inclinando um tubo reto de pequeno diâmetro, de modo a medir com boa precisão pressões em função do deslocamento do líquido dentro do tubo. A vantagem adicional é a de expandir a escala de leitura o que é muitas vezes conveniente para medições de pequenas pressões com boa precisão (0,02 mmH2O). A figura 13 representa o croqui construtivo desse manômetro, onde “α” é o ângulo de inclinação e “a” e “A” são áreas dos ramos. P1 e P2 são as pressões aplicadas, sendo P1 P2. Sendo a quantidade deslocada, em volume, a mesma e tendo os ramos áreas diferentes, teremos: Figura 13 – Manômetro de Líquido de Coluna Inclinada Conseqüentemente, a proporção da diferença entre as alturas das duas superfícies do líquido é: O movimento da superfície do líquido é ampliado de vezes para cada tipo de tubo reto. Quanto menores forem a/A e α, maior será a taxa de ampliação. Devido às influências do fenômeno de tubo capilar, uniformidade do tubo, etc. é recomendável utilizar o grau de inclinação de aproximadamente 1/10. A leitura neste tipo de manômetro é feita com o menisco na posição vertical em relação ao tubo reto. O diâmetro interno do tubo reto é de 2~3mm, a faixa de utilização é de aproximadamente 10 ~ 50mm H2O, e é utilizado como padrão nas medições de micropressão. Os manômetros de líquido foram largamente utilizados na medição de pressão, nível e vazão nos primórdios da instrumentação. Hoje, com o advento de outras tecnologias que permitem leituras remotas, a aplicação destes instrumentos na área industrial se limite a locais ou processos cujos valores medidos não são cruciais no resultado do processo ou a locais cuja distância da sala de controle inviabiliza a instalação de outro tipo de instrumento. Porém, é nos laboratórios de calibração que ainda encontramos sua grande utilização, pois podem ser tratados como padrões. 2.7.5 Manômetro do Tipo elástico Este tipo de instrumento de medição de pressão baseia-se na lei de Hooke sobre elasticidade dos materiais. Em 1676, Robert Hook estabeleceu essa lei que relaciona a força aplicada em um corpo e a deformação por ele sofrida. Em seu enunciado ele disse: “o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada’. Essa deformação pode ser dividida em elástica (determinada pelo limite de elasticidade), e plástica ou permanente. Os medidores de pressão tipo elástico são submetidos a valores de pressão sempre abaixo do limite de elasticidade, pois assim cessada a força a ele submetida o medidor retorna a sua posição inicial sem perder suas características. a) Funcionamento O elemento de recepção de pressão tipo elástico sofre deformação tanto maior quanto a pressão aplicada. Esta deformação é medida por dispositivos mecânicos, elétricos ou eletrônicos. O elemento de recepção de pressão tipo elástico, comumente chamado de manômetro, é aquele que mede a deformação elástica sofrida quando está submetido a uma força resultante da pressão aplicada sobre uma área específica. Essa deformação provoca um deslocamento linear que é convertido de forma proporcional a um deslocamento angular através de mecanismo específico. Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro que percorre uma escala linear e cuja faixa representa a faixa de medição do elemento de recepção. b) Principais tipos de elementos de recepção A tabela abaixo mostra os principais tipos de elementos de recepção utilizados na medição de pressão baseada na deformação elástica, bem como sua aplicação e faixa recomendável de trabalho. Tabela 6 – Principais Elementos de Recepção de Manômetros do Tipo Elásticos 2.7.6 Manômetro Elástico do Tipo Tubo Bourdon Tubo de Bourdon consiste em um tubo com seção oval, que poderá estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal (Fig. 14), tem uma de sua extremidade fechada, estando a outra aberta à pressão a ser medida. Com a pressão agindo em seu interior, o tubo tende a tomar uma seção circular resultando um movimento em sua extremidade fechada. Esse movimento através de engrenagens é transmitido a um ponteiro que irá indicar uma medida de pressão em uma escala graduada. A construção básica, o mecanismo interno e seção de tubo de Bourdon, são mostrados nas figuras abaixo. Figura 14 – Tipos de Tubos de Bourdon Devido ao baixo custo e à boa precisão, os manômetros de Bourdon tipo C, apresentados na Figura 14, são os mais utilizados até hoje nas indústrias. Ao se aplicar uma pressão superior à atmosférica, o tubo muda seu formato para uma seção transversal mais circular. Nos manômetros que utilizam o Bourdon tipo C, devido ao pequeno movimento realizado por sua extremidade livre quando submetida à pressão em medição, é necessária a utilização de um mecanismo para amplificação deste movimento. Este mecanismo de amplificação empregado nos manômetros é chamado de máquina. Os materiais mais usados nos Bourdons são o aço-liga, aço inoxidável ou bronze fosforoso, que variam de acordo com o tipo de produto a ser medido e são recomendados pelo fabricante. A faixa de aplicação varia de 1kgf/cm2 de vácuo até 2.000kgf/cm2 de sobrepressão. Por recomendação do fabricante, a faixa da escala que possui maior precisão de medição é a faixa compreendida entre 1/3 e 2/3 da escala 2.7.6. Manômetro do Tipo Membrana ou Diafragma É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca, e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada. A figura 15 ilustra alguns tipos de diafragma utilizados na fabricação de manômetros. Figura 15 – Tipos de Diafragma 2.7.7. Manômetro do Tipo Fole É também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e, como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. Figura 16 – Manômetro do Tipo Fole 2.8. Outros Elementos Sensores Usados para Medir Pressão 2.8.1. 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. O sensor é formado pelos seguintes componentes: Armaduras fixas metalizadas sobre um isolante de vidro fundido Dielétrico formado pelo óleo de enchimento (silicone ou fluorube) Armadura móvel (diafragma sensor) A diferença de pressão entre as câmaras de alta (high) e de baixa pressão (low) produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor), provocando sua deformação e alterando, portanto, o valor das capacitâncias formadas pelas armaduras fixas e a armadura móvel. Esta alteração é medida pelo circuito eletrônico, que gera um sinal proporcional à variação de pressão aplicada à câmara da cápsula de pressão diferencial capacitiva. Figura 17 – Sensor Capacitivo 2.8.2. 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 r : 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 18: Figura 18 - Sensor tipo Strain Gauge Observa-se que o fio (figura 19), apesar de solidamente ligado a lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força. Figura 19 - Sensor tipo Strain Gauge Da física tradicional, sabemos que um material, ao sofrer uma flexão, tem suas fibras internas submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão. Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone (como mostrado na figura 20), que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco. Figura 20 - Ponte de Wheatstone com sensor Strain Gauge 2.8.3 Tipo Sensor Piezoelétrico Os elementos piezelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta, seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão e são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato e por isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída para tratamento posterior. A figura 21 ilustra, esquematicamente, um sensor tipo piezelétrico. Figura 21 - Sensor Piezoelétrico Observe a figura 21. Como vantagem, esse efeito apresenta uma relação linear Pressão x Voltagem produzida e é ideal para locais de freqüentes variações de pressão. Sua principal desvantagem é o fato de, em condições estáticas, apresentar redução gradativa de potencial, além de ser sensível à variação de temperatura. 3. Medição de 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. a) 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. b) 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. c) 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 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. 3.2. 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. 3.3. Escalas de Temperatura 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). 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). 3.4 Conversões de Escalas de Temperatura A figura 22 relaciona as principais escalas de temperatura. Figura 22 – Relação Entre as Escalas de Temperatura Desta comparação, podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas: Outras relações podem ser obtidas combinando, as apresentadas, entre si. Exemplo: O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86°C. Exprimir esta temperatura em: 3.5. Medidores de Temperatura Os medidores de temperatura podem ser divididos em dois grupos: Os que se baseiam nas alterações físicas dos materiais, tais como volume, pressão etc. Exemplos: termômetros de líquido, termômetros bimetálicos, termômetros a pressão de vapor ou de gás. Os que se baseiam nas propriedades termoelétricas, como diferença de potencial, resistividade, etc. Exemplos: termopares, termômetros de resistência. Alguns instrumentos, como os pirômetros óticos, utilizam a radiação emitida por um corpo quente como propriedade termométrica. Nesse caso, o elemento de medição não entra em equilíbrio térmico com o corpo sujeito à determinação de temperatura. 3.6. Líquido Os termômetros de dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. Os tipos podem variar conforme sua construção: recipiente de vidro transparente; recipiente metálico. 3.6.1. Termômetros de Dilatação de Líquido em Recipiente de Vidro É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior. O reservatório e a parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo. Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida. Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. A tabela 7 mostra as características de alguns deles. Tabela 7 - Líquidos mais usados na construção de termômetros de vidro 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 23 ilustra alguns tipos de termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro e formas de utilização com suas respectivas proteções. Figura 23 - Exemplos de Termômetros de Dilatação de Líquidos em Recipientes de Vidro 3.6.2. 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 24. Figura 25 - Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico · Bulbo Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com a sensibilidade desejada. Tabela 8 - 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 26. Figura 26 – Elementos de Medição Aplica-se estes termômetros, em geral, na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e é o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Porém, não é recomendável para controle, por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande. Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudiquem o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição. 3.7. Termômetros a Pressão de Gás 3.7.1. Princípio de Funcionamento Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos, conforme pode ser observado na figura 27. Figura 27 – Termômetro à Pressão de Gás O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão, conforme a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. Observa- se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante. 3.8. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) 3.8.1. 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 28). Figura 28 - Princípio de Funcionamento do Termômetro Bimetálico 3.8.2. 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 29). Figura 29 - 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 30 - Termômetro Bimetálico de Lâmina Helicoidal 3.9. 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 31 mostra um desenho esquemático e os componentes de uma ligação para medição de temperatura por 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. 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. Figura 32 - Esquemático de Ligação de um Termopar 3.9.1. 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 DT 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 33 – Efeito Termelétrico de Seebeck Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro. O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro e dependem da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções, e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes. O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura (T) existente entre as juntas quente e fria, será, de um modo geral, indicado, registrado ou transmitido. 3.9.2. Leis Termoelétricas Da descoberta dos efeitos termoelétricos, partiu-se, através da aplicação dos princípios da termodinâmica, à enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares. Portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores. a) Lei do Circuito Homogêneo “A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções (figura 34). Figura 34 – Lei do Circuito Homogêneo Um exemplo de aplicação prática desta lei é o fato de podermos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, sem que esta influencie na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas. Portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas. b) Lei dos Metais Intermediários “A soma algébrica das f.e.m. termais, em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes, é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura". Deduz-se daí que em um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais (figura 35). Figura 35 – Lei dos Metais Intermediários Onde se conclui que: T3 = T4 E1 = E2 Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote. c) Lei das Temperaturas Intermediárias “A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si com as suas junções às temperaturas T 1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito com as junções às temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3”. Figura 36 – Lei das Temperaturas Intermediárias Um exemplo prático da aplicação desta lei é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem. 3.9.3. Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar. Portanto, podemos construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m. Por uma questão prática, padronizou-se a levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C. Figura 37 - Correlação da f.e.m. Versus Temperatura para os Termopares 3.10 Tipos e características dos termopares Existem várias combinações de dois metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e FEM, assim como desenvolver uma FEM 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 restritos a laboratórios. Podemos dividir os termopares em grupos básicos e nobres. 3.10.1. Termopares básicos São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. São eles: 3.10.1 Termopares Nobres Aqueles cujos pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam uma altíssima precisão, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares. São eles: 3.10.2. Correção da junta de referência Os gráficos existentes da FEM 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, encontrando-se temperatura ambiente, que é normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo. Isso torna necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo ela ser automática ou manual. Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos adotados a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito eletrônico. Este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, uma milivoltagem correspondente à diferença de temperatura de 0°C à temperatura ambiente, conforme apresentado na Figura 38. Figura 38 – Correção da Junta de Referência É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável. Observe a figura 39. Figura 39 – Diferença entre as Temperaturas das Junções FEM = JM – JR FEM = 2,25 – 1,22 FEM = 1,03mV => 25°C Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor correto que o meu termômetro tem que medir é de 50°C. FEM = JM – JR FEM = 2,25 – 1,22 FEM = 1,03mV + mV correspondente à temperatura ambiente para fazer a compensação automática, portanto: FEM= mV JM – mV JR + mV CA (Compensação Automática) FEM = 2,25 – 1,22 + 1,22 FEM = 2,25mV => 50°C A leitura agora está correta, pois 2,25mV correspondem a 50°C, que é a temperatura do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz a compensação da junta de referência automaticamente. 3.11. Medição de Temperatura por Termorresistência Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura iniciaram-se por volta de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elaborarem as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925. Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso. Devido a estas características, tal sensor é padrão internacional para a medição de temperaturas na faixa de –270°C a 660°C em seu modelo de laboratório. 3.11.1. Princípio de funcionamento Os bulbos de resistência (veja a Figura 34) são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, o cobre ou o níquel, metais com características de: Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor Alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura Rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos Figura 40 – Bulbo de Resistência 3.11.2. Vantagens e Desvantagens dessa Medição a) Vantagens Possui 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 protegido, permite utilização em qualquer ambiente Tem boas características de reprodutibilidade Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem b) Desvantagens É mais caro do que os sensores utilizados nessa mesma faixa Deteriora-se com mais facilidade, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização Temperatura máxima de utilização de 630°C É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente 4. Medição de Nível 4.1. Introdução A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes artifícios e técnicas apuradas. O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Na indústria se requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. 4.2. Métodos de medição de nível de líquido Os três tipos básicos de medição de nível são o direto, o indireto e o descontínuo. 4.3. Medição de nível direta É a medição para a qual tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. 4.3.1 Medidor de Nível Tipo Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente, para ser introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível (Fig. 41). A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento marcado na régua, pelo líquido. São instrumentos simples e de baixo custo permitindo medidas instantâneas. A graduação da régua deve ser feita a uma temperatura de referência, podendo estar graduada em unidades de comprimento, volume ou Massa. (a) (b) Figura 41- (a) Régua e Gabarito, (b) Exemplos de Régua 4.3.2 Visores de Nível Aplica-se nestes instrumentos o princípio dos vasos comunicantes. Um tubo transparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto, permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões. Os visores de nível se destinam exclusivamente à monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos imiscíveis, em vasos, colunas, reatores, tanques, etc. submetidos ou não à pressão. Os visores são aplicados quase na totalidade dos casos de monitoração local do nível, devido ao seu baixo custo em comparação com outros tipos de instrumentos, a não ser em casos onde a pressão e temperatura sejam excessivas e impeçam a sua utilização. Devido às suas características construtivas, os visores de nível são de fácil manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança na operação. Para atender as mais variadas aplicações em diversos processos existem atualmente os visores do tipo tubular, de vidro plano, magnéticos e os especiais para uso em caldeiras. Todos serão analisados um a um nos itens subseqüentes. a) Visores de Vidro Tubular Estes visores são normalmente fabricados com tubos de vidro retos com paredes de espessuras adequada a cada aplicação. Estes tubos são fixados entre duas válvulas de bloqueio de desenho especial através de união e juntas de vedação apropriadas a cada especificação de projetos (ver Fig. 42). O comprimento e o diâmetro do tubo irão depender das condições a que estará submetido o visor, porém convêm observar que os mesmos não suportam altas pressões e temperaturas. Para proteção do tubo de vidro contra eventuais choques externos, são fornecidas hastes protetoras metálicas colocadas em torno do tubo de vidro ou com tubos ou chapas plástica envolvendo o mesmo. Figura 42 - Visor Tubular Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de pressão e temperatura máximas permissíveis. Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro por choque externo. Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100 graus Celsius. Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto contido no equipamento. Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, recomenda-se usar dois ou mais visores com sobreposição (ver Fig. 43) de faixas visíveis. Figura 43 - Esquema de Visor com Sobreposição das Faixas Visíveis b) Visores de Vidro Plano Os vidros planos substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dos visores tubulares. Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos visores tubulares em aplicações com pressões elevadas. Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais. Os visores de vidro plano têm o aspecto mostrado na Fig. 44 (a). São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores. Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma altura variando de 100 a 350 mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores podem ser compostos de várias seções (visor multisseção). Contudo, recomenda-se que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Ultrapassado esse limite, o peso da unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser auto-sustentável, necessitando de suportes adicionais. Caso sejam previstas variações amplas na temperatura do fluido, o visor deverá ser provido com loops de expansão para possibilitar a dilatação ou contração resultantes. Quando o desnível, a ser medido, exigir um número de seções adicionais serão sobrepostos como mostra a Fig. 44 (b). (c) Figura 44 (a) - Visor de Vidro Plano com Três Seções, (b) - Visores Sobrepostos e (c) Exemplo de Aplicação A principal desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não visibilidade entre seções adjacentes que medem tipicamente 38 mm. 4.3.3 Medidor de Nível tipo Flutuador a) Medidor de Nível com flutuador interno Neste medidor de nível, dispositivo esférico é colocado a flutuar no tanque, (como mostra a figura 45) e seu movimento vertical é convertido pela alavanca em movimento rotativo para um indicador externo. A rotação da alavanca produz uma indicação direta ou acima um contato magnético. O flutuador tipo esférico é normalmente usado quando grande resistência à pressão é desejada. O flutuador é desenhado de modo que a linha de centro da esfera coincida com o nível da superfície do líquido, proporcionando uma máxima sensibilidade na mudança de nível. O medidor de níveis com flutuador interno é usualmente utilizado em tanques abertos. Deve-se ter o cuidado para assegurar que não ocorra vazamentos quando estes são usados com pressão ou em tanque de vácuo. Fig. 45- Medidor de Nível com Flutuador Interno. b) Medidor de Nível com Flutuador Externo Neste medidor o flutuador é colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque, como mostra a figura 46. Conforme varia o nível do flutuador movimenta-se verticalmente. Este por sua vez transmite esta variação ao elemento indicador através de um sistema de alavancas. Sua vantagem sobre o sistema com flutuador interno está no fato deste ser menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no tanque ou por sua vaporização. Com este medidor pode-se obter o nível em tanques sob pressão ou vácuo, medir nível de interface entre dois líquidos de densidade diferentes e medir nível de líquidos corrosivos. É indicado especialmente para os casos em que a instalação de um flutuador tipo bóia dentro do tanque de medição não for recomendado. Figura 46 - Medidor de Nível com Flutuador Externo c) Medidor de Nível Tipo Flutuador Livre Medidor de nível tipo flutuador livre indica a variação do nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por meio de uma fita metálica ou corrente a um peso. O deslocamento do flutuador de utilização deste medidor é de aproximadamente de 0 a 30m. Figura 47 - Medidor de Nível Tipo Flutuador Livre 4.4 - Medidores de Nível por Medição Indireta Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas. 4.3.3 Medição de Nível por Empuxo Fundamenta-se no princípio de Arquimedes. A força exercida pelo fluido, no corpo nele submerso ou flutuante, chama-se empuxo (Figura 48). Baseando-se no princípio de Arquimedes, usa-se um deslocador (displacer), que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade. Figura 48 – Indicação de Nível por Empuxo Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos não-miscíveis. Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque com dois líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é por meio da variação do empuxo, conforme demonstraremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em dois líquidos com pesos específicos diferentes 1 e 2 (Figura 49). Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador será a soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos 1 e 2, respectivamente. O empuxo será dado por: Et = E1 + E2 E1 = V1 1 E2 = V2 2 Figura 49 – Flutuador de Forma Cilíndrica Assim, para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo, como observamos na Figura 50. Figura 50 – Valores de Altura de Interface 4.3.4 Medidor de Nível Tipo Pressão Diferencial Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir. Os instrumentos funcionando, segundo este princípio, são em geral transmissores, pelo que daremos aqui atenção. O princípio mais comum de funcionamento dos transmissores de pressão diferencial do tipo diafragma é o princípio de equilíbrio de forças, as pressões que definem um dado diferencial são aplicadas através das conexões de entrada do instrumento a duas câmaras situadas em lados opostos, estanques entre si e separadas por um elemento sensível (diafragma). Estas pressões, atuando sobre o elemento com uma superfície determinada, produzem forças de mesma direção e sentidos opostos, fazendo originar uma força resultante. Esta força resultante, no caso de transmissor tipo célula capacitiva, provoca uma variação na relação das capacitâncias C1 e C2 (vide Fig. 51). Esta variação, proporcional à pressão diferencial é convertida, amplificada proporcionando um sinal de saída em corrente na saída do transmissor (normalmente de 4 - 20 mA). Figura 51 - Esquema dos Capacitores na Célula Capacitiva a) Para Tanque Aberto O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido é diretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pela medida do primeiro. Neste caso, o medidor de pressão pode ser usado em vez do transmissor de pressão diferencial. O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posição que corresponde o nível baixo de medição. Se isto é difícil, ele pode ser montado como mostra a figura 52 (c). Neste caso a supressão é necessária desde que a pressão adicional já esteja na parte baixa do nível do líquido. Figura 52 - Medidor de Nível tipo Pressão Diferencial (tanque aberto) b) Para Tanque Fechado No tanque fechado se a pressão dentro do tanque é diferente da pressão atmosférica, os lados de alta e baixa pressão são conectados individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque respectivamente para obter pressão diferencial proporcional ao nível líquido (Fig. 53). Figura 53 - Medição de Nível com Transmissor de Pressão Diferencial c) Para tanque Fechado com Vapor Quando se necessita medir nível em tanque fechado contendo vapor, se faz necessário preencher a tomada de alta pressão com um líquido (normalmente água) para evitar que se forme uma coluna de água nesta tomada, devido à existência de condensado que se acumularia nela e provocaria medição falsa. Neste caso, deve-se fazer a correção do efeito desta coluna. Figura 54 – Tubo com líquido 4.3.5. Medidor de Nível tipo Borbulhador Neste tipo de medição, um tubo é inserido no líquido em um vaso. Uma das pontas devidamente preparada é submersa no líquido cujo nível se deseja medir e através da ponta superior é fornecido ar ou gás inerte permanentemente. O princípio no qual se baseia este tipo de medição é que será necessária uma pressão de ar igual à coluna líquida existente no vaso, para que o ar vença este obstáculo e consiga escapar pela extremidade inferior do tubo. Na medição é necessário que se possa saber se a pressão exercida pela coluna de líquido está sendo vencida ou não, e isto se torna possível com o escape das bolhas de ar pela ponta imersa no tubo. Isto representa um pequeno valor adicional na pressão de ar, desprezível, desde que o borbulhamento não seja intenso. A medida se faz através de um instrumento receptor que pode ser um manômetro ou qualquer outro instrumento transmissor de pressão. A figura 55 mostra um esquema deste tipo de medidor. Figura 55 - Medidor de Nível Tipo Borbulhador Quando o nível do líquido sobe ou desce a pressão interna do tubo aumenta ou diminui respectivamente acompanhando o nível; esta variação de pressão é sentida pelo instrumento receptor. Uma coluna de líquido maior requer, maior pressão de ar para que haja expulsão de bolhas de ar e para colunas menores, pressões menores de ar. Para termos um bom índice de precisão, é necessário que o fluxo de ar ou gás seja mantido constante em qualquer situação e para conseguirmos esta condição temos diversas maneiras, seja pela utilização de orifícios de restrição, válvulas-agulha, rotâmetros com reguladores de pressão diferencial, borbulhadores reguláveis, entre outros. As válvulas-agulha e os orifícios de restrição são utilizados por constituírem limitadores de vazão. Podem ser regulados, no caso das válvulas-agulha, até obter o borbulhamento ideal e calculado, no caso de orifícios de restrição. Já o rotâmetro com reguladores de pressão diferencial apresentam ótima precisão, pois, além de permitirem vazão de ar ou gás, mantêm o fluxo do mesmo constante regulando permanentemente a queda de pressão à montante e a jusante do rotâmetro. 4.3.6. Medidor de Nível Tipo Capacitivo A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre duas superfícies condutoras isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede as possibilidades do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido. O elemento sensor, geralmente, é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores, se emprega um eletrodo normal. Em fluidos condutores, o eletrodo é isolado normalmente com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente devido ao dielétrico ar ser substituído pelo dielétrico líquido. Veja a Figura 56. A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica, sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sonda de proximidade. Esta sonda consiste em um disco que compõe uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque (Figura 57). Figura 56 – Medição de Nível por Capacitância Figura 57 – Sonda de Proximidade 4.3.6. Medidor de Nível por Ultrasom O ultra-som consiste em uma onda sonora cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, ou seja, acima de 20 Khz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a molécula, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das mesmas. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso). Assim, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é a produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som. Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua. Os dispositivos destinados à detecção contínua de nível caracterizam- se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto. Figura 58 – Medição de Nível por Ultrasom 4.6.7. Medição de Nível por Radar O radar possui uma antena cônica que emite pulsos eletromagnéticos de alta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é a imunidade a efeitos provocados por gases, pó e espuma entre a superfície e o detector, possuindo, porém, um custo relativamente alto. 4.5. Medição de Nível Descontínua Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados, como, por exemplo, em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo. 4.5.1. Medição de Nível Descontínua por Condutividade Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos, teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido (Figura 59). Figura 59 – Medição de Nível por condutividade 4.5.2. Medição de Nível Descontínua por Bóia Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma simples bóia acoplada a contatos elétricos, até sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, que se diferenciam pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais de instalação e custo (Figura 60). Figura 60 - Medição de Nível por Bóia 5. Medição de Vazão 5.1. Introdução Na maioria das operações realizadas nos processos industriais é muito importante efetuar a medição e o controle da quantidade de fluxo de líquidos, gases e até sólidos granulados, não só para fins contábeis, como também para a verificação do rendimento do processo. Assim, estão disponíveis no mercado diversas tecnologias de medição de vazão cada uma tendo sua aplicação mais adequada conforme as condições impostas pelo processo. Neste capítulo abordaremos algumas destas tecnologias, suas aplicações, e os princípios físicos envolvidos, bem como os testes, calibração e suas interligações elétricas em forma de malhas de medição, registro, indicação e controle. 5.2 Definição Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica, mássica ou gravitacional de um fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. Observação: A vazão também pode ser obtida pelo resultado da multiplicação da área seccional pela média da velocidade do fluido. 5.3. Vazão Volumétrica É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de uma certa seção em um intervalo de tempo considerado. É representado pela letra Q e expressa pela seguinte equação: Onde: V = volume e t = tempo 5.4. Unidades de Vazão Volumétricas As unidades de vazão volumétricas mais utilizadas são: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galão por minuto), Nm3/h e SCFH (pés cúbicos standard por minuto - temperatura. 60ºF e 14,696 PSIA de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1 m3= 1000 litros, 1 galão (americano) = 3,785 litros ,1 pé cúbico = 0,0283168 m3 e 1 libra = 0,4536 Kg. Na medição de vazão volumétrica é importante referenciar as condições básicas de pressão e temperatura, principalmente para gases e vapor, pois o volume de uma substância depende da pressão e temperatura a que está submetido. 5.5. Vazão Mássica É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que atravessa a seção de uma tubulação por unidade de tempo. É representada pela letra Qm e expressa pela seguinte equação: Onde: m = massa t = tempo 5.6. Unidades de Vazão Mássica As unidades de vazão mássicas mais utilizadas são: kg/s, kg/h, T/h e Lb/h. 5.7. Tipos de Medidores de Vazão Existem dois tipos de medidores de vazão: os de quantidade e os volumétricos. 5.8. Medidores de Quantidade São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber a quantidade de fluxo que passou, mas não a vazão do fluxo que está passando, como por exemplo as bombas de gasolina, os hidrômetros, as balanças industriais etc. 5.8.1. Medidores de Quantidade por Pesagem São as balanças industriais, utilizadas para medição de sólidos. 5.8.2. Medidores de Quantidade Volumétrica São aqueles que o fluido, ao passar em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição, aciona o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros, como por exemplo os da Figura 61: disco nutante, tipo pistão rotativo, tipo pás giratórias, tipo engrenagem etc. Figura 61 – Tipos de Medidores de Vazão 5.9. Medidores Volumétricos São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. 5.9.1. Medição de Vazão por Pressão Diferencial A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários, colocados nas tubulações de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido, diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode então ser medida a partir desta queda. Esse tipo de medição pode ser observado na figura 62 Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por pressão diferencial é que eles podem ser aplicados a uma grande variedadede 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 ele causa ao processo, sendo a placa de orifício o dispositivo que provoca a maior perda de carga irrecuperável. Figura 62 – Medição de Vazão por Pressão Diferencial 5.9.2. Medição de Vazão por Área Variável Rotâmetro 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: 1) Um tubo de vidro de formato cônico que é colocado verticalmente na tubulação, em que passará o fluido a ser medido e cuja extremidade maior fica voltada para cima. 2) No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá verticalmente, em função da vazão medida. Figura 63 - Princípios Básicos do Rotâmetro O fluido passa através no 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 o bloqueia 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. Com a vazão, surge também uma força de atrito, entre o fluido e o flutuador, que tende a leva-lo para cima, a chamaremos de força de arraste. Quando a vazão atinge um valor que faça a força de arraste ser maior que a força peso do flutuador, este começará a subir. Se o tubo fosse paralelo o flutuador subiria até o topo; mas sendo cônico a força de arraste diminui a medida que o flutuador sobe até estabilizar em uma nova posição(pois aumenta a área disponível para a passagem do fluido). 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 sua corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É somente necessário colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador. 5.10. Dispositivos dos Medidores Volumétricos 5.10.1. Placa de Orifício De todos os elementos primários inseridos em uma tubulação para gerar uma pressão diferencial e assim efetuar medição de vazão, a placa de orifício é a mais simples, de menor custo e portanto a mais empregada. Consiste basicamente de uma chapa metálica, perfurada de forma precisa e calculada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação entre flanges. Sua espessura varia em função do diâmetro da tubulação e da pressão da linha, indo desde 1/16” a 1/4”. Figura 64 – Placas de Orifício O diâmetro do orifício é calculado de modo que seja o mais preciso possível, e suas dimensões sejam suficientes para produzir à máxima vazão uma pressão diferencial máxima adequada. É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem gastas, corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. A placa de orifício pode ser ajustada mais convenientemente entre flanges de tubo adjacentes e pontos de tomadas de impulso feitos em lugares adequados, uma montante da placa e o outro em um ponto no qual a velocidade, devido à restrição, seja máxima. Este ponto não é próprio orifício porque, devido à inércia do fluido, a área de sua secção transversal continua a diminuir após passar através do orifício, de forma que sua velocidade máxima está à jusante do orifício, na vena contracta. É neste ponto que a pressão é mais baixa e a diferença de pressão a mais acentuada. Outros tipos de tomadas de pressão conforme veremos mais adiante, também são utilizadas. As placas de orifício são costumeiramente fabricadas com aço inoxidável, monel, latão, etc. A escolha depende da natureza do fluido a medir. Vantagens da Placa: Instalação fácil, Econômica, Construção simples e de fácil manutenção. Desvantagem da Placa: Alta perda de carga. Figura 65 - Aspecto de Escoamento de Fuido Cruzando uma Placa de Orifício 5.10.2. Tipos de orifícios a) Orifício Concêntrico Este tipo de placa de orifício é utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. Podemos ver sua representação a seguir: Figura 66 – Orifício Concêntrico A face de entrada deverá ser polida. O ângulo de entrada do orifício deverá ser de 90° com aresta viva e totalmente isenta de rebarbas e imperfeições. Observação: Em fluido líquidos com possibilidade de vaporização a placa deve ter um orifício na parte superior para permitir o arraste do vapor. Em fluidos gasosos com possibilidade de formação de condensado o furo deve ser feito na parte inferior para permitir o dreno. b) Orifício Excêntrico Este tipo de orifício é utilizado em fluido contendo sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa; nesses casos, o orifício pode ser posicionado na parte baixa do tubo, para permitir que os sólidos passem. Figura 67 – Orifício Excêntrico Este tipo de orifício é usado especialmente em tubulações horizontais. Ao contrário do que aconteceria com a placa de orifício concêntrica, neste não teríamos problemas de acúmulo de impurezas na entrada da placa. Durante sua instalação o orifício deverá ser tangente inteiramente ao tubo, porém admite-se que o orifício fique ligeiramente afastado do círculo inteiro do tubo sendo que este afastamento não poderá exceder 1/16” ou seja 1,6 mm. Orifício Segmental Este tipo de placa de orifício tem a abertura para passagem do fluido disposta em forma de segmentos de círculo. A placa de orifício segmental é destinada para uso em fluidos em regime laminar e com alta porcentagem de sólidos em suspensão. Existem duas maneiras para confeccionarmos orifícios segmentais. Para tubulações pequenas o orifício é geralmente preso entre dois flanges na tubulação. Figura 68 – Orifício Segmental Para tubulações grandes (superiores a 24”) o orifício segmental é geralmente soldado inteiramente ao tubo. 5.10.2. Tubo de Venturi A Figura 69 apresenta o tubo venturi, que combina, dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas. É usualmente instalado entre dois flanges, numa tubulação, sendo seu propósito acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. A recuperação de pressão em um tubo venturi é bastante eficiente, como podemos ver na Figura 69. Seu uso é 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. Figura 69 – Tubos de Venturi 5.11. Medidores Especiais de Vazão 5.11.1. Medidor Eletromagnético de Vazão O medidor magnético de vazão é seguramente um dos mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão (Figura 70). Sua perda de carga é equivalente à de um trecho reto de tubulação, já que na possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição. Os medidores magnéticos são ideais para medições de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água e polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Apresenta ainda como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem certo erro de medição. Figura 70 – Medidor Magnético de Vazão 5.11.2. Medidor Tipo Turbina Na figura 71 apresentamos esse medidor, que é constituído 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 ímã permanente é montada externamente à 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 ímã, 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. A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido, podendo a vazão ser determinada pela medição/totalização de pulsos. Figura 71 – Medidor de Vazão Tipo Turbina REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SOUZA, N. Apostila de Instrumentação Industrial. SENAI, Tubarão – SC, 2003. COELHO, M. S. Apostila de Instrumentação de Sistemas. Cefet, Cubatão, SP – 2008. VIANA, U. B. Apostila de Instrumentação Básica I e II. SENAI/CST, Vitória, ES – 1999. GONÇALVES, M. G. Apostila Monitoramento e Controle de Processos. Rio de Janeiro: Petrobras; Brasília: SENAI/DN – 2003. BRAGA, C. S. Apostila de Instrumentação Industrial I. IFPE – Campus Ipojuca – PE, 2009.