INSTITUTO FEDERAL CATARINENSECÂMPUS LUZERNA TÉCNICO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL APOSTILA DE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL AUTOR: MARCOS FIORIN EDITADA POR: RAFAEL GARLET DE OLIVEIRA LUZERNA – SC 2012 Sumário 1 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL......................................................................................... 3 1.1 APLICAÇÕES DA INSTRUMENTAÇÃO: ...................................................................................... 3 1.2 DIAGRAMAS DE INSTRUMENTAÇÃO ....................................................................................... 4 1.3 SISTEMAS DE MEDIÇÃO ......................................................................................................... 7 1.3.1 Transdutores ................................................................................................................ 7 1.4 TIPOS DE SINAIS EM INSTRUMENTAÇÃO: ................................................................................. 7 1.5 CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS: ................................................................................ 7 2 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO .................................................................... 9 2.1 BARÔMETRO ....................................................................................................................... 9 2.2 MANÔMETRO .................................................................................................................... 10 2.3 TUBO DE BOURDON ........................................................................................................... 10 2.4 COLUNA DE LÍQUIDO.......................................................................................................... 10 2.5 MEMBRANA OU DIAFRAGMA .............................................................................................. 11 2.6 MANÔMETRO DE FOLE ...................................................................................................... 12 2.7 STRAIN GAUGE ................................................................................................................... 12 2.8 SENSOR DE PRESSÃO CAPACITIVO ....................................................................................... 13 2.9 SENSOR DE PRESSÃO PIEZOELÉTRICO ................................................................................... 13 2.10 PRESSOSTATO COMO DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO ................................................................... 14 3 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL ......................................................................... 15 3.1 SENSOR DE NÍVEL CAPACITIVO .......................................................................................... 15 3.2 SENSOR DE NÍVEL CHAVE BOIA (PÊRA).............................................................................. 16 3.3 SENSOR DE NÍVEL CONDUTIVO .......................................................................................... 16 3.4 SENSOR DE NÍVEL VIBRATÓRIO ......................................................................................... 17 3.5 SENSOR DE NÍVEL PÁ ROTATIVA ........................................................................................ 17 3.6 SENSOR DE NÍVEL DE DIAFRAGMA ..................................................................................... 18 3.7 VISOR DE NÍVEL ................................................................................................................ 18 3.8 SENSOR DE NÍVEL POR INCLINAÇÃO (TILT) ......................................................................... 19 3.9 SENSOR DE NÍVEL HIDROSTÁTICO ..................................................................................... 19 3.10 SENSOR DE NÍVEL POR PRESSÃO DIFERENCIAL .................................................................. 20 3.11 SENSOR DE NÍVEL MAGNETORESTRITIVO ........................................................................... 20 3.12 SENSOR DE NÍVEL ULTRASSÔNICO .................................................................................... 21 3.13 SENSOR DE NÍVEL POR ONDA GUIADA ............................................................................... 21 3.14 SENSOR DE NÍVEL POR RADIAÇÃO ...................................................................................... 22 4 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VAZÃO ....................................................................... 23 4.1 SENSORES POR PRESSÃO DIFERENCIAL: ........................................................................... 23 4.1.1 Placa de Orifício ........................................................................................................ 23 4.1.2 Tubo Venturi .............................................................................................................. 24 4.1.3 Tubo de Pitot ............................................................................................................. 25 4.2 SENSORES DE VAZÃO POR TURBINAS: .................................................................................. 25 4.3 MEDIDORES DE VAZÃO MAGNÉTICOS: ................................................................................. 26 4.4 MEDIDORES DE VAZÃO ULTRASSÔNICOS: ............................................................................ 27 4.5 MEDIDORES DE VAZÃO DOPPLER ........................................................................................ 28 4.6 ROTÂMETRO ..................................................................................................................... 29 4.7 MEDIDOR CORIOLIS .......................................................................................................... 29 4.8 VORTEX............................................................................................................................ 30 4.9 COMPARAÇÃO ENTRE ALGUNS TIPOS DE SENSORES ............................................................ 31 5 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ........................................................ 32 5.1 TERMOPARES .................................................................................................................... 32 5.2 TERMORESISTÊNCIA .......................................................................................................... 36 5.3 TERMISTORES................................................................................................................... 37 5.4 TERMÔMETRO INFRAVERMELHO ......................................................................................... 38 6 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... 39 7 ANEXO A – UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................... 40 3 1 Instrumentação Industrial Instrumentação é o ramo da engenharia que trata do projeto, fabricação, especificação, montagem, operação e manutenção dos instrumentos de medição e controle das variáveis dos processos industriais. Um processo pode ser definido como uma operação qualquer a ser controlada, geralmente envolvendo transformação de matéria ou energia. Um processo industrial é, em geral, uma instalação ou um local onde é introduzido material, energia, e insumos, que são processados para se obter um produto final de qualidade, gerando resíduos e efluentes a serem descartados, tratados ou reciclados em outro processo (Ogata, 2011). Em um sistema de controle, as informações do processo precisam ser adquiridas e transmitidas a uma sala de controle, onde são tomadas as decisões que serão enviadas ao processo por meio dos atuadores. Existem sensores baseados em princípios físicos diversos que possibilitam medir as variáveis de processo básicas, sejam elas temperatura, pressão, vazão de fluido, e nível, propriedades físicas tais como viscosidade, calor de combustão e densidade, composições (concentrações), etc. Para o bom desempenho e segurança de um sistema de controle de processo é necessário que a medição dessas variáveis seja a mais precisa possível. Sendo assim, a partir dos conceitos anteriores, pode-se definir a Instrumentação Industrial como sendo o conjunto de equipamentos que possibilitam a medição, monitoração e controle de variáveis de processo, propriedades físicas e composições dentro de um processo industrial. 1.1 Aplicações da Instrumentação: Monitoração: Algumas aplicações de instrumentos de medida têm a simples função de monitoração da variável medida, ou seja, suas medidas não são utilizadas para controle. Medidores de consumo de gás, água e energia elétrica utilizados em residências, são bons exemplos desta classe de aplicação (Albertazzi, 2002). Análise Experimental de Engenharia (Investigação): Refere-se às aplicações onde a medição fornecida por algum instrumento tem uso destinado à uma análise pós- medição, para determinação de algum parâmetro, modelo e/ou validação do mesmo. Controle de Processos: Uma aplicação muito frequente de instrumentação é a especificação de instrumentos de medida como elementos de uma malha de controle. Esta classe de aplicação é representada no diagrama de blocos, como apresentado na Figura 1. Figura 1: Diagrama de blocos Para qualquer classe de aplicação, a seleção de um instrumento de medida deve ser criteriosa, responsável e adequada aos objetivos definidos para a aplicação. Para isto é necessário um amplo espectro de informações a respeito da instrumentação comercial disponível e de suas características técnicas, que precisam ser especificadas de acordo com as condições operacionais a serem impostas ao instrumento e com as demandas do processo em relação à medição (precisão e tempo de resposta, por exemplo). 4 1.2 Diagramas de Instrumentação As malhas de controle podem ser representadas por meio de diagramas de instrumentação, que seguem os padrões da ISA (Instrumentation Symbols and Indentification) (Alves, 2010). Este diagrama identifica todos os equipamentos instalados no sistema, sejam sensores, controladores, atuadores, etc. Na Figura 2 é representado um diagrama de instrumentação de um sistema de controle de nível. Figura 2: Diagrama de instrumentação de um sistema de controle de nível. Note que este diagrama apresenta a interligação dos equipamentos físicos (bomba, tanque, válvula, etc.) em um sistema coerente de controle. Existem setas indicando fluxo de materiais, energia e informação. Cada seta possui uma simbologia própria (por exemplo, seta tracejada representa um sinal elétrico, seta com chanfros representa fluxo pneumático, etc.). A simbologia das diferentes setas está representada na Figura 3. Os dispositivos instalados no sistema podem ser computadores, CLPs, compartilhados ou não. Para fazer a distinção entre estes tipos de dispositivos pode-se utilizar a Figura 4, que relaciona a cada tipo de dispositivo um símbolo diferente. Cada dispositivo instalado no sistema possui um respectivo código de letras que serve para identificar a sua função e distinguir qual é o tipo de variável relacionada. Este código de letras é definido na Tabela 1. A identificação destes códigos de letras funciona da seguinte maneira: a primeira letra se refere à variável envolvida, como por exemplo F: fluxo (flow), L: nível (level), T: temperatura (temperature). As demais letras indicam a função do dispositivo, como por exemplo C: controlador, I: indicador, T: transmissor, V: válvula. Como exemplo, o dispositivo LIC da figura anterior é um controlador (C) e indicador (I) de nível (L). 5 Figura 3: Sinais utilizados nos diagramas de instrumentação. Figura 4: Símbolos de instrumentos utilizados nos diagramas de instrumentação. 6 Tabela 1: Símbolos para identificação dos instrumentos. 7 1.3 Sistemas de medição Os sistemas de medição são elementos importantes da malha de controle, pois o controle de uma variável somente pode ser correto se o seu valor for lido corretamente. Os sensores são responsáveis por fazer a medição das grandezas envolvidas no processo, como temperatura, nível, pressão, etc. Estes elementos são divididos em algumas partes: transdutor, unidade de tratamento de sinais e registrador, como apresentado na Figura 5. Figura 5: Sistema de medição. 1.3.1 Transdutores O transdutor é um elemento responsável por transformar um efeito físico em um sinal de baixa energia, geralmente são utilizados sinais elétricos. Os transdutores são divididos em duas categorias: Transdutor Passivo: é aquele que necessita de uma fonte auxiliar de energia que fornece a maior parte da potência de saída, ou seja, o sinal de entrada contribui com uma porção insignificante da energia (Tooley, 2007). Transdutor Ativo: é aquele em que a energia de saída é quase que inteiramente fornecida pelo sinal de entrada; a energia de saída pode ser da mesma forma que a de entrada ou poderá haver conversão de uma forma para outra. Um exemplo de transdutor passivo é o manômetro tipo de Bourdon (Seção 2.3), já que toda a energia usada para mover o ponteiro vem da pressão a ser medida. 1.4 Tipos de sinais em instrumentação: Analógicos: são sinais contínuos no tempo, ou seja, que variam de forma contínua. Podem ser pneumáticos (padrão de transmissão em pressão 3 a 15 psi) ou eletrônicos (padrão de transmissão em corrente 4 a 20 mA e padrão de transmissão em tensão 1 a 10 Vcc). Outro tipo de sinal analógico bastante usado é o sinal em mV, obtido em termopares. Sinais discretos: sinais discretos são sinais oriundos de sinais analógicos em que se faz uma discretização no tempo, ou seja, somente em determinados intervalos de tempo é que um sinal discreto pode assumir algum valor. Sinais digitais: são sinais que só assumem dois estados: verdadeiro ou falso, aberto ou fechado. Esses sinais são provenientes de chaves de campo (chave de nível, de pressão, de temperatura, fim de curso), alarmes e sistemas de segurança. 1.5 Características dos Instrumentos: O desempenho dos instrumentos de medida pode ser caracterizado a partir dos conceitos apresentados a seguir: Ganho: O ganho é a relação entre a variação na saída e a variação unitária na entrada, ou o Span da saída dividido pelo Span da entrada. Assim, para um transmissor eletrônico de temperatura com uma faixa de entrada de 100 a 200°C e uma saída de 4 a 20 mA, o ganho é: 8 Faixa de Indicação (Range): É a região entre os limites máximo e mínimo nos quais a quantidade medida, recebida ou transmitida pode variar. Toda variável medida e todo instrumento possuem um determinado range. Alcance (Span): É a diferença algébrica entre os limites superior e inferior da faixa de indicação. Por exemplo, se um instrumento possui um range com limite inferior de 100 psi e superior de 400 psi, o alcance do instrumento é de 300 psi. Exatidão: indica o quanto o sensor é capaz de indicar um valor próximo do valor real. Geralmente o conceito de exatidão é relacionado ao conceito de erro sistemático, que é uma tendência no sistema de medição em produzir um desvio no resultado. Precisão: é a medida da consistência do sensor e indica a sua repetibilidade, isto é, qual a capacidade do sensor em indicar o mesmo valor, estando nas mesmas condições de operação, para várias medições diferentes de um mesmo mensurando. Repetibilidade: é a medida da capacidade de um instrumento repetir a mesma saída (medida) para um dado valor, quando a mesma entrada precisa é aplicada varias vezes. Existem duas definições matemáticas possíveis para repetibilidade: Zona Morta: É a maior variação que a variável pode ter, sem que provoque variação na indicação de um instrumento. Está relacionada com folgas entre os elementos móveis do instrumento, como engrenagens, etc. Ex.: Um instrumento com range de O a 200°C possui uma zona morta de ± 0,1% do span. ± 0,1% = (0,1/100 x 200) = ± O,2°C Portanto, se a variável variar de 0,2°C, o instrumento não apresentará resposta nenhuma. Tempo Morto: é o tempo necessário para que o sensor comece a responder a alterações na variável medida (entrada). Resolução: é a menor diferença entre indicações que pode ser significativamente percebida. Como exemplo, para mostradores digitais, a resolução corresponde ao incremento do dígito menos significativo do indicador. Sensibilidade: é a menor mudança na entrada do sensor que irá resultar em uma mudança na saída do mesmo. A resolução dá uma indicação de quão pequena uma variação na entrada de energia pode ser percebida por um sensor. Linearidade: um sistema de medição é definido como linear, quando sua característica de resposta varia de forma linear (gráfico de uma reta) em relação a variações nos valores do mensurando. Histerese: o efeito da histerese é notado em instrumentos que possuem comportamento diferente para entrada crescente em relação à entrada decrescente. Calibração Estática: Operação de eliminação dos erros sistemáticos em um sistema de medição. 9 2 Instrumentos de Medição de Pressão Pressão é uma grandeza física obtida pelo quociente entre a intensidade da força (F) e a área (A) em que a força se distribui (P = F/A). A pressão é a grandeza física mais medida em controle de processos, pois é utilizada também para a medição de nível e de vazão, como será visto nos próximos capítulos. Pressão Atmosférica: É a força exercida pela atmosfera na superfície terrestre. Esta força equivale ao peso dos gases que estão presentes no ar e que compõem a atmosfera. A pressão atmosférica pode variar de um lugar para o outro, em função da altitude e das condições meteorológicas (como a umidade e a densidade do ar). Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg, ou 1 ATM. Quanto mais alto o local, mais rarefeito é o ar e, portanto, menor é a pressão atmosférica. O Instrumento que mede a pressão atmosférica é o barômetro. Pressão Relativa: É determinada tomando-se como referência a pressão atmosférica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manômetros. Por esta razão, a pressão relativa é também chamada de pressão manométrica. A maioria dos manômetros é calibrada em zero para a pressão atmosférica local. Assim, a leitura do manômetro pode ser positiva (quando indica o valor da pressão acima da pressão atmosférica local) ou negativa (quando se tem um vácuo). Quando se fala em pressão de uma tubulação de gás, refere-se à pressão relativa ou manométrica. Pressão Absoluta: É a soma da pressão relativa e atmosférica. No vácuo absoluto, a pressão absoluta é zero, e a partir daí será sempre positiva. Na indústria a maior parte dos instrumentos mede pressão relativa. Pressão Diferencial: É a diferença entre duas pressões, sendo representada pelo símbolo ΔP. Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para medir vazão, nível, etc. Existem alguns princípios de funcionamento que são utilizados para a medição de pressão. Dependendo do princípio utilizado, os transdutores de pressão podem ser divididos em: Gravitacionais (colunas de liquido, pistões e pesos); Mecânicos (Fole, tubo de Bourdon, diafragmas); Elétricos (strain gauge, capacitivos, piezelétricos, magnéticos). 2.1 Barômetro Utilizado para a medição da pressão atmosférica. Consiste de um tubo de vidro medindo 1 m de comprimento, fechado numa extremidade e aberto noutra, e preenchido com mercúrio (Hg). A extremidade aberta do tubo é invertida num pequeno recipiente aberto com mercúrio (conforme Figura 6). A coluna de mercúrio desce para dentro do recipiente até que o peso da coluna de mercúrio iguale o peso de uma coluna de ar de igual diâmetro, que se estende da superfície até o topo da atmosfera. Portanto, o comprimento da coluna de mercúrio indica a medida da pressão atmosférica. Figura 6: Barômetro. 10 2.2 Manômetro Manômetro é, de uma forma geral, o nome dado aos indicadores de pressão (Figura 7). Existem diversos tipos de manômetros, dependendo do tipo de elemento sensível: deslocamento de líquido em coluna ou tubo, diafragma, fole, tubo Bourdon, entre outros. Figura 7: Indicador de pressão - manômetro. 2.3 Tubo de Bourdon O princípio de funcionamento de um dispositivo de medição baseado neste elemento sensível é bastante simples. A pressão aplicada no interior do tudo tende a retificar a curvatura deste, alterando a posição do ponteiro indicador. Existem 3 tipos construtivos: tipo C, espiral, e helicoidal, como apresentado na Figura 8. Geralmente são utilizados materiais metálicos em sua construção, para trabalho com petróleo é recomendado o aço inoxidável (Alves, 2010). Figura 8: Tubo de Bourdon. 2.4 Coluna de Líquido Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos, como mostra a Figura 9: reta vertical, reta inclinada e em forma de “U”. Os líquidos mais utilizados nas colunas são água (normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna, o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é proporcional à pressão aplicada. O tubo inclinado, por sua construção, apresenta uma maior precisão nas medidas. O tubo em U permite medir a diferença de pressão a partir da diferença de altura nas suas colunas. 11 Figura 9: Colunas de deslocamento de líquido. 2.5 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, como apresentado na Figura 10. Figura 10: Manômetro de diafragma. 12 2.6 Manômetro de Fole É também muito empregado na medição de pressão. Consiste basicamente em um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado, como mostra a Figura 11. Ao ser aplicada uma pressão no interior do fole é provocada a sua distensão. O deslocamento do indicador é proporcional à pressão aplicada, que se opõe à força de oposição da mola e à flexibilidade do material do cilindro. Figura 11: Manômetro de Fole. 2.7 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: R: Resistência do condutor : Resistividade do material L: Comprimento do condutor S: Área da seção transversal A equação nos explica que a resistência elétrica de um condutor é diretamente proporcional à resistividade e ao comprimento e inversamente proporcional a área da seção transversal. A maneira mais prática de alterarmos as dimensões de um condutor é tracionarmos o mesmo no sentido axial. 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 12: Figura 12: Princípio do Sensor Strain Gage. Observa-se que o fio, apesar de solidamente ligado a lâmina de base, precisa estar eletricamente isolado da mesma. O resultado do sensor é um sinal de resistência que deve ser medido com uma ponte de Wheatstone. 13 2.8 Sensor de Pressão Capacitivo O funcionamento deste tipo de sensor se baseia no deslocamento das placas do capacitor, como mostrado na Figura 13. 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 do processo. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados juntos 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, sendo necessário, portanto, uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico. Uma diferença de pressão entre as câmaras de alta e de baixa pressão produz uma força no diafragma isolador que é transmitida pelo líquido de enchimento. A força atinge a armadura flexível (diafragma sensor) provocando sua deformação, 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 13: Sensor de Pressão Capacitivo. 2.9 Sensor de Pressão Piezoelétrico Os elementos piezoelétricos 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, como apresentado na Figura 14. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas frequências de milhões de ciclos por segundo. O efeito piezoelétrico 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, por isso é utilizado em relógios de precisão. A carga devido 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. Permite medir pressões nas faixas de 0-1,5 psi a 0-5000 psi. Pode ser chamado, em alguns casos, de sonda de pressão, ou sonda submersa, utilizada para medir grandes pressões. 14 Figura 14: Sensor de Pressão Piezoelétrico. 2.10 Pressostato como dispositivo de proteção Pressostato é um componente utilizado para a proteção de equipamentos ou processos que trabalham a pressões variadas. Sua função básica é de proteger a integridade de equipamentos contra sobrepressão ou subpressão aplicada aos mesmos durante o seu funcionamento. É constituído em geral por um sensor, um mecanismo de ajuste de set-point e uma chave de duas posições (aberto ou fechado). O elemento sensor pode ser compreendido por um diafragma, Bourdo ou pistão. Como mecanismo de ajuste de set-point utiliza-se na maioria das aplicações uma mola com faixa de ajuste selecionada conforme pressão de trabalho e ajuste, e em oposição à pressão aplicada. O mecanismo de mudança de estado mais utilizado é o micro interruptor, podendo ser utilizado também ampola de vidro com mercúrio, fechando ou abrindo o contato que pode ser do tipo normal aberto ou normal fechado. Os pressostatos são projetados para controlar sistemas de pressão do vapor, água, ar, óleo e gases. Têm grande utilização em indústrias químicas, siderúrgicas, fábricas de papel e celulose, produtos farmacêuticos, bombas e compressores, sistemas hidráulicos estacionários e móveis, controle de processos, sistema de alarmes e outros. Na Figura 15 é apresentado um pressostato de Bourdon, onde (1) é o tubo de Bourdon, (2) é o microinterruptor e (3) é a alavanca. Figura 15: Pressostato de Bourdon. 15 3 Instrumentos de Medição de Nível As malhas de controle de nível são aplicadas em larga escala na indústria. É comum encontrar malhas de controle multivariáveis, envolvendo variáveis como nível, vazão, temperatura. Em alguns casos, os instrumentos de medição de nível utilizam sensores de pressão, vistos no capítulo anterior. Alguns sensores possuem somente dois estados, indicando que o nível está, ou não está, em um determinado patamar. Existem ainda sensores capazes de indicar com precisão o nível exato, sendo indicados para controle avançado. 3.1 Sensor de Nível Capacitivo O princípio de funcionamento deste transdutor é diferente dos sensores de pressão capacitivos. Neste caso não são as placas capacitivas que se movem (como no caso dos transdutores de pressão), o que ocorre é a mudança do material dielétrico entre as placas do capacitor. O elemento sensor é constituído por uma haste contendo as placas capacitivas. Com a variação do nível, o material a ser medido penetra nesta haste, o que modifica o dielétrico entre as placas, como ilustra a figura abaixo. Figura 16: Sensor de Nível Capacitivo. Assim, este sensor não apresenta nenhuma parte móvel uma vez que seu princípio de funcionamento é baseado na variação de capacitância que ocorre quando a haste detecta produtos com constantes dielétricas diferentes da do ar. Um circuito eletrônico é responsável por efetuar a geração do sinal, proporcionalmente à variação da capacitância. No momento em que o produto entra em contato com a haste, o contato elétrico da saída é acionado. Este instrumento possui como principal vantagem o fato de ser uma chave de nível extremamente versátil uma vez que pode ser aplicada na detecção e controle de nível de tanques, silos ou reservatórios contendo praticamente qualquer tipo de produto como líquido ou sólido. Várias configurações e modelos estão disponíveis para a grande diversidade de aplicações, diferentes opções de hastes sensores e materiais, versões para altas temperaturas e pressões, para áreas classificadas, etc. Aplicável para controle de nível de líquidos como água, óleo, efluentes, produtos químicos, e para sólidos como areia, grãos, pós, cimento, cavaco de madeira, minérios, polpas, lamas e líquidos viscosos. 16 3.2 Sensor de Nível Chave Boia (Pêra) Método simples de medição de nível, muito usado em lugares simples, como sítios, residências e até mesmo na indústria. Este equipamento não informa valores de nível, mas sim um sinal elétrico através dos contatos que possui que pode ligar ou desligar uma bomba, uma válvula, ou apenas sinalizar. No caso de cargas maiores do que a da especificação é necessária a utilização de um contator ou dispositivo de comando similar. Suspensa por um cabo de PVC, a chave tem seu funcionamento em função da inclinação do invólucro. Quando a inclinação é maior que 45º, o contato elétrico é acionado. Disponível com comprimentos de cabo variáveis, a chave não utiliza micro contato de mercúrio e tem invólucro fabricado em PP, podendo de esta forma ser utilizado em aplicações como água potável até efluentes. Pode ser aplicado para alarme ou controle de nível e controle ou proteção de bombas, tanto para líquidos limpos como água até efluentes. Pelos motivos citados acima, não devem ser feitas emendas no cabo de alimentação, que eventualmente possam entrar em contato com o líquido existente no reservatório. Este equipamento não é indicado para uso em líquidos inflamáveis ou corrosivos. Figura 17: Chave Bóia. 3.3 Sensor de Nível Condutivo Instrumento desenvolvido para a detecção e controle de nível de tanques ou reservatórios onde são armazenados materiais líquidos como água ou outros produtos condutivos. Hastes metálicas encontram-se em contato com o processo e o funcionamento é baseado na condutividade elétrica. Quando o líquido entra em contato com a haste, o circuito elétrico é fechado e o contato da chave é acionado. Apresenta fácil instalação e configuração, dispensando praticamente qualquer tipo de manutenção uma vez que não possui qualquer parte móvel em contato com o processo. Diferentes versões estão disponíveis com montagem remota ou integral e com hastes rígidas ou flexíveis (para grandes reservatórios ou poços profundos). Pode ser aplicado como alarme de nível, controle de bombas e válvulas, em reservatórios de líquidos condutivos como água, produtos químicos, efluentes tratados, entre outros. Figura 18: Sensor de Nível Condutivo. 17 3.4 Sensor de Nível Vibratório Seu funcionamento baseia-se na vibração da haste metálica, por um cristal piezoelétrico colocado em seu interior, sendo a saída ON/OFF acionada quando o produto toca a haste. Encontra-se disponível em dois modelos, haste rígida e diapasão (garfo). O modelo com haste rígida é utilizado somente com materiais sólidos (granulados, pós, etc.) enquanto o modelo com haste diapasão, além de detectar produtos sólidos, pode também ser utilizado com líquidos, podendo inclusive atuar com a função de chave de fluxo em tubulações (detecção de presença ou ausência de fluxo). Apresentam características como fácil instalação (tanto topo como lateral) e configuração, sensibilidade ajustável, versões para áreas classificadas, ausência de qualquer parte móvel em contato com o processo (não exigindo praticamente qualquer tipo de manutenção) e o fato de seu funcionamento não ser afetado pelas condições do material como variações de umidade ou constante dielétrica. Aplicável em alarme de nível, controle de nível, tanto para sólidos como grãos, pós, minérios, cavado de madeira (para versões de haste rígida), como para líquidos e sólidos de baixa densidade (versão com haste de diapasão). Figura 19: Sensor de Nível de Vibração. 3.5 Sensor de Nível Pá Rotativa É um instrumento eletromecânico utilizado na detecção e controle de nível de silos contendo materiais sólidos como granulados, minérios, brita, entre outros. As pás da chave permanecem em constante rotação em baixa velocidade movidas por um pequeno motor localizado no interior do invólucro. Este motor é automaticamente desligado quando o produto atinge uma das pás impedindo a rotação normal e deste modo, prolongando a vida útil do componente. Apresenta construção robusta, fácil instalação (topo ou lateral) e operação, diversos modelos de pás para diferentes produtos, ajuste de sensibilidade e versões para altas temperaturas e para áreas classificadas. Devido ao seu princípio, permite ser aplicado em silos que armazenam diferentes materiais sem a necessidade de se efetuar qualquer alteração de configuração ou ajuste. Geralmente aplicável em alarme ou controle de nível de sólidos como areia de fundição, grãos, brita, carvão, minérios, cavaco de madeira, entre outros. Figura 20: Sensor de Nível Pá Rotativa. 18 3.6 Sensor de Nível de Diafragma Este instrumento é utilizado na detecção e controle de nível de silos que armazenam materiais sólidos como grãos, pós, cavacos de madeira, entre outros. Seu funcionamento, que não necessita de alimentação elétrica, baseia-se na pressão exercida pelo produto sobre o diafragma, ou seja, quando o material atinge o elemento sensor da chave, a saída (contato elétrico) é imediatamente acionada. É possível efetuar um ajuste na sensibilidade em função do tipo de produto (mais ou menos denso). É instalado externamente ao silo e o diafragma permanece rente à parede interna, não havendo nenhum outro componente intrusivo. O diafragma é o único elemento que entra em contato com o processo. Se o instrumento necessitar de qualquer tipo de manutenção, esta pode ser efetuada totalmente pelo lado externo do silo, não sendo preciso retirar toda a chave do local instalado. Apresenta diferentes materiais para o diafragma (como Aço Inox, PTFE ou Neoprene) e versões para áreas classificadas. Aplicável para alarmes e controle de nível com materiais sólidos secos como grãos, areia, pós, cimentos, cavaco de madeira, plásticos, entre outros. Figura 21: Sensor de Nível de Diafragma. 3.7 Visor de nível Normalmente é constituído por um tubo de vidro reto, com espessura adequada a cada aplicação. É conectado a blocos metálicos. O comprimento e o diâmetro do tubo dependem das condições a que o visor será submetido. Para proteger o tubo de vidro de eventuais choques mecânicos são montadas, hastes protetoras metálicas ou tubos e chapas plásticas envolvendo o tubo de vidro. Figura 22: Visor de nível. 19 3.8 Sensor de Nível por Inclinação (Tilt) É um instrumento utilizado na indicação ou controle de nível alto de silos contendo materiais sólidos como grãos, minérios, carvão, entre outros. Seu funcionamento é baseado na inclinação do invólucro quando o produto entra em contato. Quando isto ocorre, uma pequena esfera metálica existente dentro do alojamento aciona um contato elétrico. Não há necessidade de alimentação elétrica para a chave operar. A saída é desativada no momento em que o invólucro estiver novamente alinhado (quando o produto não estiver mais em contato com a chave). Apresenta fácil instalação e operação e versão para áreas classificadas, podendo ainda ser utilizado na detecção de sobrecarga em correias transportadoras. Usado para alarme de nível alto em sólidos como grãos, brita, cavaco de madeira, areia, carvão, cálcio, entre outros. Figura 23: Sensor de Nível por Inclinação (Tilt). 3.9 Sensor de Nível Hidrostático Este instrumento foi desenvolvido para medir continuamente e com grande precisão o nível em tanques ou reservatórios contendo produtos líquidos. Não apresenta qualquer parte móvel uma vez que seu princípio de operação é totalmente baseado na medição da pressão exercida pela coluna de líquido que fica acima do sensor. Um circuito eletrônico converte o sinal que vem do sensor de pressão em corrente 4-20 mA. Por isto, pode ser utilizado em tanques com presença de espuma, turbulência ou gases/vapores além de não ser afetado por características do fluído que possam sofrer mudanças como viscosidade ou constante dielétrica. Duas versões encontram-se disponíveis, pendular e lateral. A versão lateral é instalada pelo lado externo do tanque, sendo que a única parte em contato com o meio é um diafragma. De fácil montagem, apresenta diversas faixas de operação além de, opcionalmente, poder contar com indicação local e conexão sanitária. Possui várias aplicações envolvendo água, produtos químicos, alimentícios, farmacêuticos, entre outros. A versão pendular é composta somente por um sensor preso a um cabo, sendo submerso até o fundo do tanque. Sua principal aplicação é a medição de água, tanto em tanques ou reservatórios como em poços profundos, uma vez que devido ao seu tamanho reduzido, permite ser introduzido através de bocais de pequeno diâmetro. Normalmente usado no monitoramento contínuo de nível de tanques ou reservatórios, ambos para líquidos como água, produtos químicos, entre outros e ainda na medição do nível de poços profundos (versão pendular). Figura 24: Sensor de Nível Hidrostático. 20 3.10 Sensor de Nível por 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. 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. O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posição que corresponde o nível baixo de medição. Figura 25: Sensor de nível por pressão diferencial. 3.11 Sensor de Nível Magnetorestritivo É um instrumento desenvolvido para a medição contínua do nível de produtos líquidos limpos em tanques ou reservatórios onde é necessária uma elevada precisão. Seu funcionamento é baseado no movimento de uma boia em torno de uma haste. Um circuito eletrônico monitora constantemente e de modo extremamente preciso a posição da boia através de pulsos que são enviados através de um fio condutor localizado no interior desta haste. A posição é convertida em um sinal analógico de 4-20 mA que pode ser interligado a qualquer outro dispositivo externo. Encontra-se disponível com diversos itens opcionais como indicação local, saída Hart, haste flexível ou rígida, partes molhadas em material metálico ou termoplástico ou versões para áreas classificadas. Possui fácil instalação e manuseio além de não ser afetado por determinadas características do processo como presença de espuma, gases/vapores, mistura de líquidos ou variações de constante dielétrica ou condutividade. Usado para o monitoramento contínuo de nível de tanques ou reservatórios com líquidos com espuma, líquidos com uma densa camada de gás ou vapor sobre o líquido. Também pode ser usado com produtos químicos, óleos, solventes, hidrocarbonetos, entre outros. Figura 26: Sensor de Nível Magnetorestritivo. 21 3.12 Sensor de Nível Ultrassônico A medição pela tecnologia do ultrassom baseia-se no tempo de trânsito (transit time) que uma onda sonora leva para se deslocar em um meio. Um sensor ultrassônico (transmissor/receptor) emite uma onda na frequência do ultrassom, que se desloca pelo ambiente até atingir a superfície do material que se quer medir. Ao atingir a superfície do material, o sinal é refletido de volta ao sensor. Pelo tempo decorrido desde a emissão do sinal até o seu retorno pode-se obter a distância percorrida pelo mesmo. Este instrumento é utilizado na medição contínua e precisa do nível de produtos líquidos ou sólidos armazenados em tanques, reservatórios ou silos. Não possui qualquer parte mecânica em contato com o processo uma vez que seu funcionamento é totalmente baseado na emissão de pulsos de ultrassom por um sensor instalado no tanque/silo que são refletidos pelo material que está sendo monitorando. Apresenta diferentes opções de materiais para o transdutor, versões para áreas classificadas, versões para montagem remota ou integral além de funções de controle ou alarme de nível. A grande quantidade de opções permite que este medidor seja utilizado nas mais variadas aplicações que necessitam da medição de nível sem que ocorra qualquer tipo de contato físico do instrumento com o meio devido a agressividade (produtos químicos como ácidos), pureza (água ultra pura) ou característica intrínseca (como produtos altamente viscosos). Aplicável no monitoramento contínuo do nível de tanques ou reservatórios, controle de nível (bombas, válvulas ou outro dispositivo), monitoramento do nível de rios, lagos e barragens ou outros locais abertos, para líquidos como água, produtos químicos, óleos, efluentes, esgotos, polpas, e sólidos como areia, grãos, pós, farinha, chips de plástico, entre outros. Figura 27: Sensor de Nível Ultrassônico. 3.13 Sensor de Nível por Onda Guiada Este instrumento pode ser utilizado na medição de nível tanto de produtos líquidos como sólidos em tanques ou reservatórios de diferentes formatos ou dimensões onde é necessário elevada precisão. Não possui qualquer tipo de parte móvel em contato com o processo. O único componente que estará permanentemente em contato com o meio é um cabo ou haste e que será responsável pela medição do nível. Um circuito eletrônico emite pulsos que viajam pelo cabo em alta velocidade até encontrar o produto. Neste instante, o pulso acaba sendo refletido em direção ao topo onde está o circuito. A partir do tempo decorrido entre a emissão e a reflexão deste pulso é possível determinar o nível do produto uma vez que a velocidade de propagação é constante e conhecida. Trata-se portanto de um medidor extremamente versátil e preciso e que apresenta várias opções de cabo ou haste (neste caso rígida), comprimentos, materiais e conexões de processo além de versões com a presença de indicador local e para processos críticos como áreas classificadas ou com altas temperaturas. 22 Além disso, seu funcionamento não é afetado pela presença de gases, vapores, pó, poeira, espuma bem como alterações que possam ocorrer no meio como de densidade ou condutividade. Aplicado no monitoramento contínuo do nível de tanques, reservatórios ou silos que comportam líquidos como solventes, GLP, produtos químicos, óleos, líquidos viscosos, além de sólidos como granulados e pós como chips de plástico, cimento, cal, cinzas, alumina, entre outros. Como principais características tem, elevada precisão, versões para altas temperaturas, e não é afetado por variações de constante dielétrica, temperatura ou densidade. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassônico é a imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detector, porém possuem um custo relativo alto. Figura 28: Sensor de nível por onda guiada. 3.14 Sensor de nível por radiação O sistema de medição por radiação consiste em um emissor de raios-gama (Cobalto 60, Césio 137, etc.) montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque, há um detector de radiação, por exemplo do tipo Contador Geiger, que transforma a radiação gama recebida, em um sinal elétrico de corrente contínua, como mostra a figura abaixo. Figura 29: Sensor de nível por radiação Gamma. Os medidores de nível que utilizam radiações se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medido. Além disso, dispensam-se sondas ou outras técnicas que mantém contato com o produto, tornando possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores. 23 4 Instrumentos de Medição de Vazão Na maioria dos casos são dispositivos desenvolvidos para determinar a medição de fluxo utilizando outras variáveis, relacionadas fisicamente com a vazão, como: velocidade de escoamento do fluido líquido ou gasoso, diferença de pressão, variação de energia, etc. Sensores de vazão medem a quantidade de um fluido passando por um ponto em certo tempo. Para a indústria de processos químicos, a vazão é uma medição bastante importante, pois permite realizar os balanços de massa e energia, utilizados nos processos. 4.1 Sensores por Pressão Diferencial: Este tipo de sensor se baseia em inserir uma dificuldade à passagem do fluido, como a diminuição do diâmetro da tubulação, por exemplo. Assim, o fluido em movimento apresenta duas velocidades diferentes, uma antes e uma depois desta modificação. Uma delas sendo a velocidade normal do escoamento e a outra sendo uma velocidade modificada. Com isso, surgem também duas pressões diferentes, cuja diferença indica a vazão do fluido. 4.1.1 Placa de Orifício A pressão de um fluido em movimento é proporcional à vazão. O sensor de vazão mais simples é do tipo Placa de Orifício, pois sua instalação é fácil. Este sensor consiste em inserir um obstáculo em algum ponto, como uma placa com um orifício. A diferença de pressão entre os pontos antes e depois da placa indica a vazão do fluido. Proporciona grande perda de pressão não recuperável, da ordem de 30% a 40% da pressão diferencial (como mostrado no gráfico da Figura 30), devido a geração de um escoamento turbulento depois da placa. Apresenta baixa exatidão e pode ser mais abrasivo. Figura 30: Medição de Vazão com Sensores com placa de Orifício. 24 Existem três diferentes formas de orifícios: concêntrica, excêntrica ou segmental, como apresentado na Figura 31. A placa concêntrica é recomendável para líquido ou vapor isolados, sendo as outras recomendáveis para líquido e vapor juntos, ou quando existem sólidos em suspensão. Figura 31: Placas de orifício – a) concêntrica, b) excêntrica e c) segmental. 4.1.2 Tubo Venturi Para evitar a perda de pressão não recuperável, pode-se utilizar o Tubo Venturi para criar a diferença de pressão. Propicia pequena perda de pressão (mais eficiente), alta exatidão, resistência à abrasão. A dificuldade de instalação é maior, ao comparar com as placas de orifício, além de ter um alto custo, o que pode limitar a sua utilização. Figura 32: Tubo de Venturi. Geralmente é utilizado para medir líquidos com sólidos em suspensão e grandes vazões de ar de combustão, pois geram uma pressão diferencial adequada. Uma variação ao tubo Venturi é o Bocal, apresentado na Figura 33. O bocal de fluxo é utilizado para medição de vazão de alta velocidade onde erosão e cavitação pode desgastar ou danificar uma placa de orifício. Figura 33: Bocal, ou Tubeira. 25 4.1.3 Tubo de Pitot O Tubo Pitot é um sensor de vazão baseado na pressão que causa um mínimo de restrição ao escoamento. Consiste em dois tubos, um deles instalado paralelamente ao escoamento e outro instalado perpendicularmente ao escoamento, como mostra a Figura 34. O primeiro mede a pressão de impacto do fluido enquanto que o segundo mede pressão estática. A pressão de impacto é sempre maior que a pressão estática e a diferença entre elas é proporcional à velocidade de escoamento, isto é, à vazão. ............... Figura 34: Tubo de Pitot. É muito utilizado em aeronaves, para medir a sua velocidade em relação ao ar. A Figura 35 mostra um tubo de Pitot da asa de uma aeronave. Figura 35: Tubo de Pitot em aeronaves. 4.2 Sensores de Vazão por Turbinas: Os medidores de vazão tipo turbina aplicam-se à medição da vazão de fluidos, líquidos e gases, ambos limpos, como água, óleo, combustíveis, ar comprimido e gases diversos. Para medição de líquidos é importante que a tubulação permaneça totalmente preenchida pelo fluido no local de instalação do sensor. Possuem um rotor balanceado individualmente e montado em um eixo disposto em posição axial ao fluxo. 26 Figura 36: Medição de Vazão por Turbina. A energia cinética do fluido é transferida ao rotor que gira em velocidade proporcional à velocidade do fluido. Um sensor eletrônico detecta a velocidade de rotação do rotor, informando a velocidade ao módulo eletrônico para medidor de vazão o qual indica a vazão e o volume totalizado e fornece várias opções de sinais de saída como pulsos por unidade de volume, sinal analógico de 4 a 20 mA proporcional à vazão e alarmes para vazão alta e/ou baixa. Figura 37: Sensor de Vazão tipo Turbina. O movimento da hélice é captado por um sensor de efeito Hall. Um ímã permanente é encaixado no corpo do rotor, cada vez que uma lâmina da turbina passa pelo polo do sensor, a redução da relutância altera a permeabilidade do circuito magnético produzindo um pulso de tensão no terminal de saída. A frequência deste pulso é proporcional à velocidade de escoamento do fluido. 4.3 Medidores de Vazão Magnéticos: Este elemento sensor se baseia na lei de Faraday do eletromagnetismo, que afirma o seguinte: a tensão induzida através de qualquer condutor, ao mover-se perpendicularmente entre um campo magnético é proporcional a velocidade do condutor. E = B.L.V, onde E: tensão gerada por um condutor; B: densidade do campo magnético; L: distância entre os eletrodos e V: velocidade de escoamento. 27 O campo magnético é provocado por um eletroímã ou par de bobinas alimentada por fonte de corrente alternada. Dois eletrodos são colocados nas paredes do medidor que é revestido por um material isolante (normalmente teflon). De acordo com a lei de Faraday, quando o fluído atravessar o medidor cortando as linhas do fluxo magnético, uma pequena tensão será induzida entre os eletrodos sendo proporcional ao movimento do fluído. Figura 38: Medição de Vazão por Campo Magnético. O conduto deve ser de vidro ou de algum material não condutor. Os eletrodos na superfície interna do conduto fazem contato direto com o fluido. A tensão de saída é muito baixa, por isso deve haver um transdutor/amplificador. Figura 39: Sensores de Vazão Magnéticos. 4.4 Medidores de Vazão Ultrassônicos: Um medidor de vazão ultrassônico utiliza o efeito da diferença do tempo de propagação, o chamado tempo de trânsito, de pulsos ultrassônicos para a determinação da variável medida. Este princípio mede o efeito da velocidade do fluxo de um líquido através sinais acústicos bidirecionais. Os transdutores são normalmente instalados com um ângulo entre 30º e 45º (Figura 40) e são instalados à montante do fluxo, que emite um sinal para um transdutor instalado à jusante do fluxo que, por sua vez, emite um sinal em sentido contrário. Quanto maior a vazão do fluido maior será o tempo de trânsito entre os pulsos ultrassônicos. 28 Figura 40: Medição Ultrassônica de Vazão. Figura 41: Instrumento Sensor Ultrassônico. 4.5 Medidores de Vazão Doppler Este tipo de sensor também se baseia na emissão e reflexão de ondas sonoras. O efeito Doppler é bastante notável quando se observam veículos em movimento. É fácil reparar que quando o veículo se aproxima, o som que este produz é sempre mais agudo do que quando o veículo se afasta, como apresenta a figura abaixo. Isto ocorre pois a velocidade do veículo altera a frequência das ondas sonoras produzidas. Figura 42: Efeito Doppler. Este princípio é utilizado para a medição de vazão em fluidos que apresentam partículas sólidas, ou impurezas. Uma onda de ultrassom é emitida pelo emissor do sensor e é refletida pelas partículas contidas no fluido. Devido ao movimento do fluido com relação ao elemento sensor, e, considerando que o som espalhado se move com o fluido, a frequência da onda sonora recebida é diferente da onda sonora emitida. Este desvio de frequência é diretamente proporcional à vazão do fluido. As figuras a seguir apresentam duas formas de utilizar este princípio, através de uma onda contínua que atravessa o fluido e através de uma onda refletida pelas partículas sólidas contidas no fluido. Figura 43: Sistema Doppler de Onda Contínua. Figura 44: Sistema Doppler Pulsátil. 29 Na figura abaixo é ilustrado um medidor por efeito Doppler, com seu elemento emissor e receptor, com as ondas sonoras refletidas pelos particulados no fluido. Ao invés de emissão de ondas sonoras, existem também dispositivos que se baseiam na emissão e recepção de laser, seguindo o mesmo princípio do efeito Doppler. Figura 45: Medidor por efeito Doppler. 4.6 Rotâmetro É um dispositivo de medição direta de vazão utilizado em líquidos e gases. Possui escala aproximadamente linear, precisão em torno de 15% e não necessita de trecho reto em sua instalação, pois não sofre influência da turbulência do fluido. É constituído de um tubo cônico, geralmente de vidro, contendo um flutuador que pode se mover livremente no sentido vertical. A posição do flutuador é indicada em uma escala graduada de acordo com a vazão, como ilustrado abaixo. Figura 46: Rotâmetro. 4.7 Medidor Coriolis É construída por tubos pequenos, por onde o fluxo é deslocado. Pelo princípio de Coriolis, uma partícula em movimento linear, mas sobre uma superfície em movimento circular, tende a modificar a sua trajetória. Nos medidores por efeito Coriolis, esta mudança na trajetória é sentida como uma força exercida nas paredes dos tubos, que é proporcional à vazão do fluido em questão. 30 Figura 47: Instrumento medidor de Coriolis. Existem dois tipos, o rotativo e o vibratório. O medidor rotativo consiste em dois tubos em forma de U que são postos em rotação a uma velocidade angular constante. O fluxo é dividido de forma a passar pelos dois tubos, o que causa uma deformação nestes tubos. O medidor vibratório não gira. Os tubos vibram com frequência f em sentidos opostos. Em cada tubo aparecerá uma torção, que estará no inverso um do outro, provocando alteração na distância entre os tubos. Essa distância pode ser medida por sensores de proximidade de precisão. Os medidores vibratórios são os mais usados na indústria, por ocuparem menos espaço e por oferecerem maior exatidão na medida. Os tubos podem ter formas diversas, existindo inclusive tubos em espiral. 4.8 Vortex Este medidor pode ser utilizado para a medição de vapor, gases e líquidos. O princípio de funcionamento está baseado na dispersão do vortex provocado pela colocação de um obstáculo na passagem da vazão. Se o obstáculo possui uma geometria abrupta, com perfil não suave, o fluido não pode seguir seu contorno e há o aparecimento de um vortex, ou seja, de um vórtice, ou escoamento giratório. O vortex é disperso em uma frequência diretamente proporcional à velocidade e, portanto, à vazão do fluido. Outro princípio do medidor vortex é aquele que considera o diferencial de pressão em torno do obstáculo, que provoca o vortex. Depois do obstáculo a velocidade diminui e a pressão aumenta. Figura 48: Medidor de vazão Vortex. 31 4.9 Comparação entre alguns tipos de sensores Para se ter uma ideia inicial de aplicações, na tabela abaixo, uma pequena comparação entre alguns dos sensores apresentados é mostrada. Medidor de Vazão Perda de Pressão Exatidão (% fundo de escala) Efeito da Viscosidade Custo Pressão Diferencial Média 0,5 a 3 Alto Baixo Turbina Alta 0,1 a 1 Alto Alto Eletromagnético Nenhuma 0,2 a 1 Nenhum Alto Ultrassônico Nenhuma - Nenhum Alto Doppler Nenhuma 1 a 5 Nenhum Alto 32 5 Instrumentos de Medição de Temperatura A medida da temperatura é extremamente importante na indústria. Sua medida não pode ser feita diretamente. Para realizar a medida desta grandeza deve-se empregar algum fenômeno físico, como a dilatação térmica, ou alteração da resistência de um material, por exemplo. Unidades de temperatura. Existem três unidades principais de medida de temperatura: Celsius (ºC), Fahrenheit (ºF) e Kelvin (K), sendo Kelvin a escala definida no SI. A conversão entre estas unidades de medida devem ser feitas seguindo a equação abaixo: Existem vários meios e instrumentos de medição de temperatura, tais como, termômetros de dilatação de líquido, termômetros à pressão de gás e de vapor, termômetros à dilatação de sólidos, termopares, termorresistores, termistores, pirômetros de radiação, pirômetros ópticos, entre outros. Neste caítulo serão vistos somente alguns destes instrumentos. 5.1 Termopares O princípio utilizado pelos termopares para a realização da medição de temperatura é denominado de tensão termoelétrica de Seebeck. Esta tensão surge ao se unir as extremidades de dois metais diferentes, como na Figura 49, e submeter as duas junções a temperaturas diferentes. Figura 49: Efeito Seebeck. Devido aos diferentes tipos de metais utilizados existem diversos tipos de termopares, como será visto no decorrer desta seção. Uma conseqüência imediata do efeito Seebeck é o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junções pode-se, através da tensão produzida, saber a temperatura da outra junção. Os termopares são dispositivos elétricos com larga aplicação para medição de temperatura. São baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas. A sua maior limitação é a exatidão, uma vez que erros inferiores a 1°C são difíceis de obter. Figura 50: Junção dos metais. 33 Os termopares disponíveis no mercado têm os mais diversos formatos, desde os modelos com a junção a descoberto que têm baixo custo e proporcionam tempo de resposta rápido, até os modelos que estão incorporados em sondas. Estão disponíveis uma grande variedade de sondas, adequadas para diferentes aplicações (industriais, científicas, investigação médica, etc.). Quando se procede à escolha de um termopar deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, segundo as características de cada tipo de termopar, tais como a gama de temperaturas suportada, a exatidão e a confiabilidade das leituras, entre outras. Também deve-se levar em consideração, além da especificação do tipo de liga, a construção física do termopar. Para cada processo é necessário uma construção física específica, já que alguns processos agridem o material utilizado. Desta forma, é imprescindível que na especificação do termopar, além da liga, seja levada em consideração sua construção física externa. Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura, através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condições torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar, através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar aquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência. Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos termopares a que se destinam, exemplo: tipo TX, JX, EX e KX, onde a primeira letra identifica o tipo de termopar. Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos para utilização desde a temperatura ambiente até um limite máximo de 200 °C. Figura 51: Termopares. Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias deve-se, processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho, através de fios de extensão ou compensação. Tal, procedimento é executado sem problemas desde que, o cabeçote onde estão os terminais do termopar e o registrador, estejam à mesma temperatura de medição. Caso contrário, erros de leitura ocorrerão, bem como se cabos estiverem cruzados. 34 Figura 52: Ligação Correta do Termopar com Cabo de Extensão. Os termopares podem ser divididos basicamente em três grupos básicos, que dependem dos tipos de metais empregados: Termopares Básicos: São assim chamados os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite incertezas maiores. Tipo K (Cromel/Alumel): O termopar tipo K é um termopar de uso genérico. Tem um baixo custo, alta resistencia à oxidação e devido à sua popularidade estão disponíveis variadas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200°C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C. o Termoelemento positivo (KP): Ni90%Cr10% (Cromel) o Termoelemento negativo (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel) o Faixa de utilização: -270 °C a 1200 °C o f.e.m. produzida: -6,458 mV a 48,838 mV Tipo E (Cromel/ Constantan): Este termopar tem uma elevada sensibilidade (68 µV/°C) que o torna adequado para baixas temperaturas. o Termoelemento positivo (EP): Ni90%Cr10% (Cromel) o Termoelemento negativo (EN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilização: -270 °C a 1000 °C o f.e.m. produzida: -9,835 mV a 76,373 mV Tipo J (Ferro/Constantan): A sua gama limitada (-40 a 750°C) é a responsável pela sua menor popularidade em relação ao tipo K. Aplica-se sobretudo com equipamento já velho que não é compatível com termopares mais ‘modernos’. A utilização do tipo J acima dos 760°C leva a uma transformação magnética abrupta que lhe estraga a calibração. Podem ser usados no vácuo, em atmosferas oxidantes, redutoras e inertes o Termoelemento positivo (JP): Fe99,5% o Termoelemento negativo (JN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilização: -210 °C a 760 °C o f.e.m. produzida: -8,096 mV a 42,919 mV Tipo T (Cobre / Constantan): É dos termopares mais indicados para medições na gama dos -270 a 400°C. Estes termopares podem ser usados em atmosferas oxidantes (exceto oxigênio), inertes (neutras), redutoras (hidrogênio e monóxido de carbono), e no vácuo. o Termoelemento positivo (TP): Cu100% o Termoelemento negativo (TN): Cu55%Ni45% (Constantan) o Faixa de utilização: -270 °C a 400 °C o f.e.m. produzida: -6,258 mV a 20,872 mV 35 Termopares Nobres: São aqueles que os pares são constituídos de platina. Embora possuam custo elevado e exijam instrumentos receptores de alta sensibilidade, devido à baixa potência termoelétrica, apresentam pequenas incertezas, dada a homogeneidade e pureza dos fios dos termopares. Tipo B (Platina/Ródio-Platina): Os termopares tipo B, R e S apresentam características semelhantes. São dos termopares mais estáveis, contudo, devido à sua reduzida sensibilidade (da ordem dos 10 µV/°C), utilizam-se apenas para medir temperaturas acima dos 300 °C. Note-se que devido à reduzida sensibilidade destes termopares, a sua resolução de medida é também reduzida. Adequado para medição de temperaturas até aos 1800°C. Contra aquilo que é habitual nos outros termopares, este origina a mesma tensão na saída a 0 e a 42°C, o que impede a sua utilização abaixo dos 50 °C. Em compensação, utiliza cabos de extensão de cobre comum desde que a sua conexão com o termopar esteja neste intervalo (0°C a 50°C). Os demais termopares necessitam de cabos de ligação com o mesmo material do termopar, sob o risco de formarem com o cobre um "outro termopar", se a conexão estiver a temperatura diferente do instrumento de processamento do sinal (p.ex. transmissor). o Termoelemento positivo (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Ródio-Platina) o Termoelemento negativo (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Ródio-Platina) o Faixa de utilização: 0 °C a 1820 °C o f.e.m. produzida: 0,000 mV a 13,820 mV Tipo R (Platina/Ródio-Platina): Adequado para medição de temperaturas até aos 1600°C. Reduzida sensibilidade (10 µV/°C) e custo elevado. Seu uso está em indústria de vidro, cerâmicas, entre outras. o Termoelemento positivo (RP): Pt87%Rh13% (Ródio-Platina) o Termoelemento negativo (RN): Pt100% o Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C o f.e.m. produzida: -0,226 mV a 21,101 mV Tipo S (Platina/Ródio-Platina): Adequado para medição de temperaturas até aos 1600°C. Reduzida sensibilidade (10 µV/°C), elevada estabilidade e custo elevado. É o mais usado entre os termopares nobres, por sua faixa de temperatura e precisão de leitura o Termoelemento positivo (SP): Pt90%Rh10% (Ródio-Platina) o Termoelemento negativo (SN): Pt100% o Faixa de utilização: -50 °C a 1768 °C o f.e.m. produzida: -0,236 mV a 18,693 mV Termopares Especiais: Os tipos de termopares produzidos oferecem, cada qual, uma característica especial, porém, apresentam restrições de aplicação, que devem ser consideradas. Novos tipos de termopares foram desenvolvidos para atender as condições de processo onde os termopares básicos não podem ser utilizados. Tipo N (Nicrosil/Nisil): A sua elevada estabilidade e resistência à oxidação a altas temperaturas tornam o tipo N adequado para medições a temperaturas elevadas, sem recorrer aos termopares que incorporam platina na sua constituição (tipos B, R e S). Foi desenhado para ser uma “evolução” do tipo K. Sua faixa é igual ao termopar K, porém com a vantagem de ter estabilidade, resistente à corrosão e maior vida útil no processo. TIPO C (Tungstênio/Rhênio): Esses termopares podem ser usados continuamente até 2300 °C e por curto período até 2750 °C. 60% Irídio, 40% Rhódio/Irídio: Esses termopares podem ser utilizados por períodos limitados até 2000 °C. 36 60% Platina, 40% Rhódio / 20% Platina, 80% Rhódio: Esses termopares são utilizados em substituição ao tipo B onde temperaturas um pouco mais elevadas são requeridas. Podem ser usados continuamente até 1600 °C e por curto período até 1850 °C. Ouro-Ferro / Chromel - Esses termopares são desenvolvidos para trabalhar em temperaturas criogênicas (abaixo de -150°C). 5.2 Termoresistência Uma termoresistência (RTD do inglês Resistance Temperature Detector) é um instrumento que permite conhecer a temperatura do meio ambiente, recorrendo à relação entre a resistência elétrica de um material e a sua temperatura. A maior parte das termoresistências é feita de platina, mas são também utilizados outros materiais, como, por exemplo, o níquel. Por norma, quando se fala de uma termorresistência ela é identificada pelo material que a constitui e pela resistência que apresenta a 0°C. Por exemplo, um Pt-100 será uma termoresistência de platina que a 0°C apresenta uma resistência de 100Ω, ao passo que uma Ni-500 será uma termoresistência de níquel que a 0°C apresenta uma resistência de 500Ω. São sensores lineares, de alta precisão e excelente repetibilidade de leitura. Sua faixa de utilização padrão vai de -200 a 850ºC. Devido a essas características são utilizados em diversos setores como: laboratórios, farmacêutica, petroquímica, alimentícia e outros. Figura 53: Termoresistências. Vantagens da Termorresistência em Relação ao Termopar: a) Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; b) Têm características de estabilidade e repetibilidade melhores do que os termopares; c) Com ligação adequada, não existe limitação para distância de operação; d) Dispensa o uso de fios e cabos de extensão e compensação para ligação, sendo necessários somente fios de cobre comuns. e) Se adequadamente protegido (poços e tubos de proteção), permite a utilização em qualquer ambiente. f) Curva de resistência X temperatura mais linear; g) Menos influência por ruídos elétricos. 37 Para a conexão de um termopar, deve ser inserido um circuito de medição. Em muitos casos este circuito é feito utilizando-se uma ponte de Wheatstone. O método de ligação a dois fios, somente deve ser usado quando o sensor estiver à uma distância pequena, pois neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido a variação da resistência de linha. Figura 54: Esquema básico de Ligação à 2 Fios. No método de ligação a três fios, a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha são ligadas em série com o sensor, já na ligação a 3 fios elas são separadas. Figura 55: básico de Ligação à 3 Fios. Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura do PT-100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação. Este tipo de ligação garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição. 5.3 Termistores Além dos termoresistores já apresentados temos ainda um segundo seguimento de sensores sob variação de resistência, que são chamados de termistores, os tipos PTC e NTC, fabricados de material semicondutor, tais como óxido de níquel, cobalto, ou magnésio e sulfeto de ferro, alumínio ou cobre. NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. 38 Figura 56: Termistores PTC e NTC. Estes podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente elétrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação, à nível industrial, é a medição de temperatura em motores, por exemplo, pois com o termístor podemos obter uma variação de uma grandeza elétrica em função da temperatura a que este se encontra. 5.4 Termômetro Infravermelho Esses sensores se baseiam no fato de que qualquer corpo emite uma radiação devido a sua temperatura. Com isso, detectando esta radiação pode-se conhecer a temperatura de determinado objeto. Estes sensores possuem rápido tempo de resposta e não possui contato com o processo. A figura abaixo apresenta duas formas de construção destes sensores. Figura 57: Termômetros infravermelho. 39 6 Bibliografia Albertazzi, A. (2002). Metrologia - Parte I. Florianópolis: LabMetro. Alves, J. L. (2010). Instrumentação, controle e automação de processos. Rio de Janeiro: LTC. Lathi, B. P. (2007). Sinais e Sistemas Lineares. Porto Alegre: Bookman. Luciano Sighieri, A. N. (1973). Controle Automático de Processos Industriais - Instrumentação. São Paulo: Edgard Blücher. Ogata, K. (2011). Engenharia de Controle Moderno. Pearson. Ribeiro, M. A. (2005). Instrumentação. Salvador. Tooley, M. (2007). Cicuitos Eletrônicos: Fundamentos e Aplicações. Rio de Janeiro: Elsevier. 40 7 Anexo A – Unidades de Medida Pressão: se baseia em unidades de pressão por unidades de área, ou mesmo deslocamento de fluidos, como mercúrio ou água. Pa: Pascal. (Sistema Internacional.) N/m 2 : Newton por metro quadrado. (1 Pa = 1 N/m 2 .) ATM: Atmosfera. mmHG: Milímetros de mercúrio. Kgf/cm 2 : Quilograma força por centímetro quadrado. mc.a.: Metro de coluna de água. PSI: libra força por polegada quadrada, conhecida somente como “libras”. Ba: Bária (dina/cm 2 , dina: unidade de força). Bar: múltiplo da Bária. Nível: mesma unidade de comprimento, ou distância. m: metros. (Sistema Internacional.) Vazão: pode ser considerada como velocidade de um fluido em uma tubulação, volume de escoamento do fluido por unidade de tempo (vazão volumétrica), ou massa de escoamento por unidade de tempo (vazão mássica). m/s: metros por segundo. l/s: litros por segundo. m 3 /s: metros cúbicos por segundo. (Sistema Internacional.) kg/s: quilogramas por segundo. Temperatura: ºC: graus célsius. ºF: graus fahrenheit. K: Kelvin. (Sistema Internacional.)
Report "Apostila de Instrumentação Industrial RGarlet"