Trabalho - Instrumentação Eletrônica

Prévia do material em texto

FACULDADE ANHANGUERA DE CAMPINAS – UNIDADE TAQUARAL
	
INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA: MEDIÇÃO DE TEMPERATURA E PRESSÃO
Discentes:
Lucas Sansão, RA: 2457180232
Docente: Alcino José Biazon Filho
Campinas
20 de Novembro de 2017
SUMÁRIO
1	INTRODUÇÃO	3
2	TEMPERATURA	3
2.1 TERMÔMETROS DE EFEITO MECÂNICO.	4
2.1.1 TERMÔMETROS POR EXPANSÃO DE LÍQUIDOS	4
2.1.2 TERMÔMETROS BIMETÁLICOS	5
2.1.3 TERMÔMETROS MANOMÉTRICOS	6
2.2 TERMÔMETROS DE EFEITO ELÉTRICO	7
2.2.1 TERMÔMETROS POR RESISTÊNCIA ELÉTRICA	7
2.2.2 TERMOPAR	8
2.3 TERMÔMETRO DE RADIAÇÃO	10
3	PRESSÃO	12
3.1 TIPOS DE PRESSÃO	12
3.1.1 PRESSÃO ATMOSFÉRICA	12
3.1.2 PRESSÃO RELATIVA POSITIVA E NEGATIVA (MANOMÉTRICA)	13
3.1.3 PRESSÃO DIFERENCIAL	13
3.1.4 PRESSÃO HIDROSTÁTICA OU ESTÁTICA	13
3.1.5 PRESSÃO DINÂMICA OU CINEMÁTICA	14
3.1.6 CONVERSÃO	14
3.2 MEDIDORES DE PRESSÃO	15
3.2.1 TUBO DE BOURDON	15
3.2.2 MANÔMETRO DE PRESSÃO DIFERENCIAL	15
3.2.3 SENSOR TIPO DIAFRAGMA	16
3.2.4 MEDIDOR TIPO FOLE	16
3.2.5 TRANSDUTOR DE PRESSÃO INDUTIVO (LVDT)	17
3.2.6 SENSOR PIZOELÉTRICO	17
3.2.7 SENSOR PIZORESISTIVO, STRAIN GAUGE OU CÉLULAS DE CARGA	18
4	CONCLUSÃO	18
5	REFERÊNCIAS	19
1 INTRODUÇÃO
A instrumentação eletrônica é a ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação registro e controle de processos de fabricação. A utilização da instrumentação eletrônica visa a obtenção de produtos com uma melhor qualidade em menos custo e tempo de processo produtivo, aumentar a produtividade e rendimento do processo e obter controle de dados seguros de matéria prima e quantidade produzida. 
 Nos primórdios do controle de processos, os indicadores, os elementos de controle assim como as válvulas eram monitorados por um operador que passava em todas as malhas de controle e ajustava a abertura ou fechamento das válvulas para obter a variável (temperatura, pressão, vazão, etc.) desejada. Com o surgimento de instrumentos pneumáticos na década de 1940 de transmissão e controle foi possível a monitoração e controle de forma automatizada. O operador já não precisava mais abrir ou fechar todas as válvulas manualmente. Isto reduziu o tempo que os operadores necessitavam para monitorar o processo.
Com o avanço da eletrônica nos anos de 1950 e 1960, foi possível a construção de instrumentos eletrônicos para a substituição dos pneumáticos. A partir de 1970 iniciou-se a fabricação destes instrumentos. Inicialmente o sinal de entrada e saída destes equipamentos não eram padronizados. Cada fabricante desenvolvia o seu padrão. Em busca da padronização posteriormente se padronizou este sinal em um sinal de corrente que variava de 4 a 20 mA (com incrementos de 4 mA entre cada faixa de valor, totalizando cinco faixas, criando uma equivalência com a escala de psi) e alimentação elétrica de 24 VDC para transmissores e posicionadores, com casos especiais utilizando-se 110 VAC. Aos poucos as plantas industriais migraram para o controle se utilizando de equipamentos eletrônicos, o que reduziu os custos de manutenção devido a robustez destes equipamentos e por estes não possuírem partes mecânicas, como nos instrumentos pneumáticos. Também foi possível aumentar a precisão das medições o que melhorou o controle das malhas.
Após esses anos a instrumentação evoluiu com o surgimento da computação. Conforme o aumento da complexidade dos processos industriais, a necessidade de mais processamentos e de mais malhas de controle, tornava-se inviável ter centenas de malhas de controle utilizando-se de instrumentos discretos, pois cada instrumento está sujeito a falhas e necessita de manutenção.
2 TEMPERATURA
A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um fator limite para muitas operações. Pode-se pensar em temperatura como sendo o potencial que causa o fluxo de calor de um ponto de mais alta temperatura para um ponto de mais baixa temperatura.
A medição correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema.
A temperatura é quantificada através de escalas padronizadas, as mais utilizadas são as escalas de temperatura Celsius (C), Fahrenheit, No Sistema Internacional utiliza-se à escala absoluta Kelvin. Para medição de temperatura, utilizamos 3 formas de medição, utilizamos os termômetros de efeito mecânico, termômetros de efeito elétrico e termômetros medidores por radiação.
2.1 TERMÔMETROS DE EFEITO MECÂNICO.
2.1.1 TERMÔMETROS POR EXPANSÃO DE LÍQUIDOS	
A medição de temperatura é feita através da leitura da posição do líquido na escala graduada, eles operam a partir da variação volumétrica de um determinado líquido (álcool, fluídos orgânicos variados e mercúrio). De acordo com o aumento da temperatura, o líquido que está dentro de um bulbo, começa a expandir e é obrigado a passar por um capilar feito geralmente num vidro devidamente graduado. A expansão observada na escala é a diferença entre a dilatação do líquido e do bulbo de vidro.
Figura 1. Termômetro de Mercúrio
E essa expansão é medida pela variação do comprimento, numa escala graduada que pode ter uma precisão de 0,05 °C. Algumas vantagens: o seu ponto de fusão é -40 °C e o seu ponto de ebulição é 360 °C, longe das temperaturas comuns em condições normais na superfície da terra; por causa da condução térmica ser alta, rapidamente atinge o equilíbrio térmico e se mostra visível a temperatura, e por causa do seu calor específico ser baixo, não diminui significativamente a temperatura do corpo com que se põe em contato; o fato do mercúrio ser um líquido opaco e escuro facilita a visibilidade da marcação e até mesmo o vidro funciona como uma lupa tornando ainda mais visível a temperatura marcada
Figura 2. Termômetro de Mercúrio, utilização industrial
	2.1.2 TERMÔMETROS BIMETÁLICOS
Os termômetros bimetálicos, são termômetros basicamente constituídos por duas tiras de metais, com coeficientes de dilatação térmica diferentes. O funcionamento deste termômetro se dá quando a temperatura é aplicada, onde as tiras de metal começam a expandir, entretanto uma delas vai expandir mais que a outra resultando formação de um raio que geralmente é utilizada para “chavear um circuito” ou para indicar uma temperatura sobre uma determinada escala calibrada.
Figura 3. Termômetro Bimetálico
Os mais usados e precisos termômetros desse tipo exploram a diferença de dilatabilidade entre materiais como latão, ferro e cobre, etc. Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiraladas que se curvam, conforme aumentam ou diminuem a temperatura. Nesse movimento, a lâmina arrasta, em sua extremidade, um ponteiro que percorre uma escala graduada ou registra graficamente a variação de temperatura num papel em movimento.
Figura 4. Termômetro Bimetálico
2.1.3 TERMÔMETROS MANOMÉTRICOS
Os termômetros manométricos utilizam-se da variação de pressão obtida pela expansão de algum gás ou vapor como meio físico para relacionar com a temperatura.
O termômetro manométrico compreende um elemento de medição de pressão, como o Tubo Bourdon através de um tubo capilar ligado a um frasco que está exposto à  a ser medida. Uma vez que o elemento medidor de gás e o tubo de ligação não possuem a mesma temperatura do bulbo, o seu volume deve ser maior, de modo que os erros introduzidos pelo elemento medidor de temperatura e da pressão capilar são insignificantes. O bulbo deve ser de pelo menos 40 vezes o volume do restante do sistema. Por isso, e devido ao atraso na transmissão de mudanças de pressão no tubo capilar, este comprimento é limitado a um máximo de 123 m, e de preferência menos. Esses termômetros devido a sua precisão, são muitas vezes utilizados para calibrar outros termômetros.
Figura 5. Termômetro Manométrico
Figura 6. Termômetro Manométrico, funcionamento
2.2 TERMÔMETROS DE EFEITO ELÉTRICO
Este tipo de medição é o mais conveniente já que estes métodos permitem obter um sinal mais facilmente detectável, amplificável, e usado para propósito de controle.
2.2.1 TERMÔMETROS POR RESISTÊNCIAELÉTRICA
As termoresistências, ou termômetros de resistência, são sensores de alta precisão e excelente repetibilidade de leitura. O seu funcionamento baseia-se na variação da resistência eléctrica de modo proporcional à temperatura do meio em que são colocadas. Se bem que a lei de variação da resistência de acordo com a temperatura pode ser aplicada a qualquer condutor elétrico, o elemento sensor na maioria dos casos é feito de platina e níquel e encapsulados em bulbos de cerâmica ou vidro.
As termoresistências, por apresentarem, excelentes características tornaram-se num dos sensores de medição de temperatura mais utilizados numa ampla faixa de utilização em processos industriais. São também um dos principais sensores padrão em laboratórios de calibração.
A termometria de resistência utiliza as relações características da resistência elétrica com a temperatura, por forma a efetuar medições de temperatura.
 
Figura 7. Termoresistência
2.2.2 TERMOPAR
Um termopar é um sensor que compreende dois pedaços de fios dissimilares, unidos em uma das extremidades. Sua aplicação em larga escala se dá em virtude da sua praticidade, capacidade de operar em altas temperaturas e por fornecer respostas rápidas.
Um termopar é constituído de dois metais distintos unidos em uma das extremidades. Quando há uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, verifica-se o surgimento de uma diferença de potencial que pode ser medida por um voltímetro. Diferentes tipos de termopares possuem diferentes tipos de curva diferença de potencial versus temperatura.
Figura 8. Termopar, Funcionamento
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 necessária 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. No mercado temos diversos tipos de Termopares, Tipo K, Tipo E, Tipo J, Tipo N, Tipo , Tipo R, Tipo S, Tipo T.
Figura 9. Tabela comparativa dos termopares.
Existem 2 tipos de montagem dos termopares, além do convencional, os termopares de isolação mineral Conhecido também como TIM e suas características o tornam ideal para uma grande variedade de aplicações no processo industrial de medição de temperatura. É constituído de uma bainha de proteção metálica em que os condutores são altamente compactados com óxido de magnésio proporcionando uma ótima isolação elétrica, ficando os condutores completamente isolados das condições ambientais. 
Figura 10. Termopar de isolação mineral.
E também os termopares flexíveis, ideais para a utilização na indústria de transformação de plástico ou em aplicações onde são necessários: facilidade de instalação, fácil remoção e rápido tempo de resposta, São sensores de baixo custo e podem ser fornecidos com conexões tipo baioneta de fácil e rápida instalação e com a opção rosqueada sobre a mola, permite ajuste no comprimento de inserção.
 
Uma grande vantagem do termopar é o fato de o diâmetro e o comprimento do fio não interferir no potencial gerado.
 
2.3 TERMÔMETRO DE RADIAÇÃO
É possível determinar-se a temperatura de um corpo através da medição da radiação térmica emitida pelo corpo. Radiação térmica é radiação eletromagnética emitida por um corpo como resultado de sua temperatura. Radiação térmica corresponde à faixa de comprimentos de onda de 0,1 a 100 µm.
Existem, basicamente, três tipos de equipamentos utilizados na medição de temperatura a partir da radiação térmica, Pirômetro de Radiação Total, Ótico e Infravermelho.
O Pirômetro de Radiação total é baseado na determinação da temperatura de equilíbrio de um alvo sobre o qual a radiação térmica incide. Termopilhas ou termômetros de resistência são utilizados como sensores de temperatura. A energia térmica líquida radiativa é equilibrada pelas perdas por condução e convecção. Um procedimento de calibração relaciona a temperatura de equilíbrio do alvo com a temperatura desejada da fonte emissora.
 Figura 11. Pirômetro de Radiação Total, funcionamento.
O Pirômetro Ótico determina a temperatura da superfície pela cor da radiação emitida. Lembramos que o ponto de máximo da curva de radiação de corpo negro se move em direção aos comprimentos de onda menores à medida que a temperatura cresce, o que corresponde a uma mudança de cor na radiação emitida. A lei de Wien estabelece esta relação: λmaxT = 2897,6µmK. Este pirômetro é o instrumento interpolador da IPTS acima do ponto do ouro. 
Figura 12. Pirômetro Ótico, funcionamento.
O pirômetro infravermelho funciona baseado em um princípio semelhante ao do pirômetro de radiação total. No entanto não é utilizado um detector térmico, mas uma fotocélula. Pirômetros de infravermelho não estão limitados a temperaturas elevadas da fonte, podendo operar em faixas de -40º a 4600ºC. 
3 PRESSÃO
A pressão é a relação entre uma determinada 	força e sua área de distribuição. O termo pressão é utilizado em diversas áreas da ciência como uma grandeza escalar que mensura a ação de uma ou mais forças sobre um determinado espaço, podendo este ser líquido, gasoso ou mesmo sólido. A pressão é uma propriedade intrínseca a qualquer sistema, e pode ser favorável ou desfavorável para o homem: a pressão que um gás ou vapor exerce sobre a pá de uma hélice, por exemplo, pode ser convertida em trabalho.
Onde,
· P = Pressão
· F = Força
· A = Área
A unidade SI de Pressão é 1Pascal, o pascal é uma unidade muito pequena, que equivale à pressão exercida por uma coluna d'água de altura de 0,1 mm. Na prática, usa-se o kilopascal (kPa) e o megapascal (MPa). Existem outras unidades de medidas para pressão, como psi (ibf/in²), kgf/cm².
3.1 TIPOS DE PRESSÃO
3.1.1 PRESSÃO ATMOSFÉRICA
É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre, que é medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
Figura 13. Pressão atomosférica.
3.1.2 PRESSÃO RELATIVA POSITIVA E NEGATIVA (MANOMÉTRICA)
É a medida em relação à pressão atmosférica, ela pode ser positiva ou negativa.
Figura 14. Pressão relativa.
A pressão relativa positiva, é quando um sistema tem pressão relativa maior que a pressão atmosférica, e a pressão relativa negativa, ou vácuo, é quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica.
3.1.3 PRESSÃO DIFERENCIAL
É a diferença de pressão entre dois pontos (∆P).
3.1.4 PRESSÃO HIDROSTÁTICA OU ESTÁTICA
É o peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. A pressão estática do processo é a pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso.
3.1.5 PRESSÃO DINÂMICA OU CINEMÁTICA
É uma Pressão exercida por fluido em movimento ou tomada de impulso no sentido do impacto do fluxo (paralelo a sua corrente). A pressão dinâmica da tubulação é a pressão devida a velocidade do fluido
Figura 15. Exemplo de medição de pressão estática e dinâmica.
3.1.6 CONVERSÃO
Na indústria existem uma infinidade de equipamentos e instrumentos para medição de pressão, entre eles há também uma infinidade de normas e unidades utilizadas, neste caso, utiliza-se uma tabela de conversão.
Figura 16. Exemplo de medição de pressão estática e dinâmica.
3.2 MEDIDORES DE PRESSÃO
3.2.1 TUBODE BOURDON
O tubo de bourdon consistem geralmente de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência tendo uma 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 da engrenagem é transmitido a um ponteiro que vai indicar uma medida de pressão. Existem diversos tipos, como Tipo C, Espiral e Helicoidal.
Figura 17. Maômetro de Bourdon, Tipo C.
O medidor tipo tubo de Bourdon é universalmente utilizado na faixa de 0-10psi até 50.000psi. A faixa baixa depende da capacidade do tubo acionar o ponteiro. Sua precisão depende do processo de fabricação chegando 0,1% ou 0,5% da escala. Alguns desses medidores são ainda incrementados com compensadores térmicos, normalmente uma barra bimetálica integrada ao sistema do ponteiro para minimizar o erro.
3.2.2 MANÔMETRO DE PRESSÃO DIFERENCIAL
Este tipo construtivo, é adequado para medir a diferença de pressão entre dois pontos quaisquer do processo. É composto de dois tubos de Bourdon dispostos em oposição e interligados por articulações mecânicas.
	
Figura 18. Maômetro de pressão diferencial.
3.2.3 SENSOR TIPO 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. 
Figura 19. Sensor tipo diafragma.
3.2.4 MEDIDOR TIPO FOLE
O medidor tipo Fole é um dispositivo que possui ruga no círculo exterior que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. Como a resistência à pressão é limitada, é usado para baixa pressão.
Figura 20. Medidor tipo Fole.
3.2.5 TRANSDUTOR DE PRESSÃO INDUTIVO (LVDT)
Neste tipo de sensor, o transdutor de indutância variável (LVDT), utiliza a bobina primária, secundária e um núcleo magnético entre as bobinas. Neste caso o núcleo é conectado a um sensor de pressão (por exemplo, diafragma). Quando ocorre uma variação da pressão, este núcleo se movimenta e altera o número de espiras induzidas, variando a tensão.
Figura 21. Transdutor de pressão indutivo (LVDT).
3.2.6 SENSOR PIZOELÉTRICO
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. Resposta deste tipo de sensor é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas frequências.
3.2.7 SENSOR PIZORESISTIVO, STRAIN GAUGE OU CÉLULAS DE CARGA
Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões. Neste tipo de sensor, uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força. Este sensor tem a vantagem de compensar as variações de temperatura ambiente.
 
Figura 22. Funcionamento sensor pizoresistivo.
4 CONCLUSÃO
Este trabalho proporcionou em meu processo de formação acadêmica o entendimento dos conceitos aprendidos em sala de aula, sobre temperatura, pressão, instrumentação eletroeletrônica.
Este trabalho demonstrou a variedade de conceitos e equipamento de medição aplicados a indústria em geral e qual a sua melhor aplicação em campo, visando desenvolver nossa capacidade de entendimento de controle de qualquer processo industrial.
5 REFERÊNCIAS
· UFRS, Sensores de Temperatura, Prof. Valner Brusamarello. Disponível em: https://chasqueweb.ufrgs.br/~valner.brusamarello/inst/aula_06.pdf. Acessado em: 24 de Novembro de 2017.
· UFRN, Projetos em Instrumentação e Automação. Disponível em: https://www.dca.ufrn.br/~acari/Sistemas%20de%20Medida/SLIDES_INSTRUMENTACAO%20TEMPERATURA.pdf. Acessado em: 24 de Novembro de 2017;
· UFPR, Fundamentos de Medição de Pressão. Disponível em: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/camaral/instrumentacao-industrial/5%20-%20Medidores%20de%20Pressao.pdf/view, Acessado em: 24 de Novembro de 2017.
· WIKIPÉDIA. Pressão. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o. Acessado em: 24 de Novembro de 2017
· UFRS, Sensores de Radiação, Prof. Valner Brusamarello. Disponível em: https://chasqueweb.ufrgs.br/~valner.brusamarello/inst/aula_07.pdf. Acessado em: 24 de Novembro de 2017.
· WIKIPÉDIA. Pressão. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Press%C3%A3o. Acessado em: 24 de Novembro de 2017
18