Instrumentação Industrial

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Instrumentação Industrial As figuras abaixo mostram alguns tipos de registradores.

Podem situar-se no campo ou na casa de controle, dependendo da importância da pressão no sistema e da segurança. Quando na casa de controle, o registrador, em geral, possuem como elemento medidor um sistema de folemola, que funciona como receptor pneumático do sinal transmitido do campo.

g) Controladores de pressão Os controladores de pressão, como os demais controladores, recebem um sinal correspondente ao valor da variável medida e comparam com um valor pré-estabelecido e enviam, quando necessário um sinal de correção, para uma válvula de controle.

Recomendações Os instrumentos de pressão podem ser facilmente danificados, especialmente quando operados com valores acima do máximo permitido.

Assim sendo, se um sistema ou equipamento estiver sendo testado, com valores de pressão acima do normal de operação, os manômetros e demais instrumentos de pressão devem ser bloqueados.

Na mudança dos gráficos a pena poderá ser levantada, mas não forçada em nenhuma direção.

Para prevenir possíveis sobrepressões, geralmente, os manômetros usados em um local tem alcance duas vezes maior ao da pressão normal.

6. Instrumentos de temperatura A temperatura é de certa maneira, a variável mais importante da indústria do petróleo.

Seu controle é imprescindível no fracionamento do petróleo, nas fases intermediárias do processo e na especificação final dos produtos acabados. Também o craqueamento exige severidade nas temperaturas controladas.

Temperatura é, geralmente, conceituada, como o grau de aquecimento ou resfriamento de uma substância, ou corpo e é medida por meio de instrumentos denominados termômetros.

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Calor é a energia em trânsito que é transferida por meio da fronteira de um sistema termodinâmico em virtude de uma diferença de temperatura.

6.1. Formas de Transferência da Energia Térmica A energia térmica é transferida de um sistema a outro de três formas possíveis.

¾ Condução: a condução é um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes em contato físico direto. Exemplo: um garfo aquecido em uma panela com água quente.

¾ Radiação: é um processo pelo qual o calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando estão separados no espaço, ainda que exista vácuo. Exemplo: aquecimento solar.

¾ Convecção: é um processo de transporte de energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia (calor) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás. Exemplo: o calor de um andar de um edifício em chamas transferido para o andar supeior.

6.2. Termometria Termometria significa “Medição de temperatura”. Eventualmente o termo pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

¾ Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitps de radiação térmica passam a se manifestar.

¾ Criometria: medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura.

¾ Termometria: termo mais abrangente que incluiria tanto a pirometria, como a criomentria que seriam casos particulares de medição.

6.3. Escalas de temperatura

¾ Fahrenheit: 32ºF para a temperatura de congelamento da água e 212ºF para a temperatura de ebulição da água. Possui 180 divisões entre esses dois pontos.

¾ Celsius: 0ºC para a temperatura de congelamento da água e 100ºC para a temperatura de ebulição da água. Possui 100 divisões entre esses dois pontos.

¾ Kelvin: 273K para a temperatura de congelamento da água e 373K para a temperatura de ebulição da água. Possui 100 divisões entre esses dois pontos. É chamada de escala absoluta.

6.4. A identificação usual para os instrumentos de temperatura é a seguinte: a) Formas simples

TI Indicador de temperatura (transmitido à casa de controle); ThI Indicador de temperatura local; TR Registrador de temperatura; TC Controlador de temperatura; TA Alarme (cego) de temperatura.

b) Formas compostas

TIC Indicador-controlador de temperatura; TRC Registrador-controlador de temperatura.

c) Formas especiais

TW Poços de termômetros; TE Elemento de medição de temperatura; TCV Válvulas de controle, auto-operadas por temperatura; TSV Válvulas de segurança (“temperatura safety valve”) para controle de temperatura.

6.5. Tipos de instrumentos medidores de temperatura Sob o ponto de vista industrial, os termômetros podem ser classificados nos seguintes principais tipos, de acordo com seus princípios de funcionamento: - Termômetros de dilatação

- termômetro de mercúrio;

- termômetros bimetálicos;

- termômetro de pressão.

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- Sistemas termoelétricos - termopares;

- termômetros de resistência.

- Pirômetros óticos

- Instrumentos indicadores, registradores e controladores para pares termoelétricos a) Termômetros de dilatação Termômetro de mercúrio O termômetro de mercúrio é o mais simples dos indicadores de temperatura.

Consiste de um tubo capilar de vidro, tendo, numa das extremidades, um bulbo cheio de mercúrio que, quando aquecido, se dilata, indo atingir uma certa altura no tubo capilar e seu valor sendo lido na escala termométrica.

As escalas termométricas, mais comuns, são graduadas em graus Celsius (ºC) e em graus Fahrenheit (ºF), sendo que a correspondência entre essas duas escalas é dada pelas relações:

ºC = 9

5 (ºF - 32) ºF = 5

9 ºC + 32

Os termômetros de mercúrio não são usados muito freqüentemente na indústria, face a sua grande fragilidade, em especial nos casos em que ocorrem grandes e bruscas variações de temperatura.

b) Termômetros bimetálicos Se aquecermos uma barra metálica, constituída de dois metais de coeficientes de dilatação diferentes, soldados entre si longitudinalmente, esta barra se deformará, alongando-se desigualmente em duas partes.

Como existe uma correlação entre a deformação da barra e a temperatura a que é submetida, os elementos bimetálicos podem ser usados como termômetros indicadores.

O termômetro bimetálico É um instrumento resistente e preciso que substitui com vantagem o termômetro de mercúrio, na indicação local de temperatura.

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Em geral, a barra bimetálica é enrolada em forma de hélice, com uma das extremidades presa ao bulbo do termômetro e a outra ligada a um ponteiro. Quando varia a temperatura do meio em que está imerso o termômetro, a hélice bimetálica expande-se ou contrai-se e sua ponta livre indicará, através do ponteiro, numa escala previamente graduada, a temperatura medida.

Geralmente, emprega-se o “INVAR”, como metal de pequena expansão e o latão ou ligas de níquel, como metal de grande expansão.

O termômetro bimetálico pode ser empregado para medir temperaturas desde -40ºC (-104ºF) até +427ºC (+800ºF), com um erro de 1%. ±

Visando a proteção mecânica do termômetro bimetálico e facilidade de manutenção, costuma-se instalar o mesmo em poço termométrico. A figura abaixo mostra um termômetro bimetálico.

c) Termômetros de pressão Os termômetros tipo pressão utilizam, para medição da temperatura, a expansão térmica dos fluidos, uma vez que existe uma correlação entre a temperatura e a pressão exercida pelo fluido em sistema fechado.

Portanto, um termômetro de pressão, nada mais é do que um instrumento que mede a pressão interna em um sistema fechado, conforme mostrado na figura abaixo.

A grande vantagem destes termômetros de pressão em relação aos bimetálicos é que nos de pressão existe a possibilidade de leituras remotas.

Conforme a natureza do fluido contido no sistema fechado, os termômetros de pressão se classificam em: I) Termômetros de pressão de líquido; I) Termômetros de pressão de gás; I) Termômetros de pressão de vapor.

I) Termômetros de pressão de líquido Constam de um bulbo cheio de líquido ligado a uma espiral ou a um tubo de Bourdon por meio de um tubo capilar.

Ao aumentar a temperatura, o líquido se expande e causa a deformação do elemento medidor de temperatura.

Os líquidos mais usados para enchimento do sistema são: mercúrio (devido à grande diferença entre os pontos de congelamento e de ebulição), álcool etílico, tolueno, etc. Os termômetros de pressão de líquido são utilizados na faixa de temperaturas entre -40ºC (-104ºF) e +538ºC (1.000ºF) e apresentam uma variação de ± 0,5%.

Estes termômetros estão sujeitos a erros devido à influência da temperatura ambiente, tanto no capilar, como no sistema espiral ou Bourdon.

Entretanto, esses erros são corrigidos pela introdução de compensadores do tipo bimetálico que podem compensar somente a espiral ou Bourdon (mostrado na figura abaixo) ou, então, usando-se um outro conjunto capilar-espiral (ou Bourdon) de compensação, etc.

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I) Termômetros de pressão de gás Quando o fluído de enchimento do sistema for um gás, teremos um termômetro de pressão de gás, usando na faixa de -130ºC (-200ºF) a 427ºC (800ºF). Geralmente são gases inertes, como por exemplo, o nitrogênio. Prestam-se muito bem para medidas de baixas temperaturas. Qualquer vazamento de gás trará, como conseqüência, a inutilização do conjunto bulbo-capilar-espiral.

I) Termômetros de pressão de vapor Quando o elemento de pressão for atuado pelo vapor que enche parcialmente o sistema de medição, teremos um termômetro de pressão de vapor. A superfície livre do líquido deverá estar sempre no bulbo, vaporizando-se ou condensando-se, conforme a temperatura medida aumente ou diminua.

A escala, naturalmente, depende do líquido do bulbo, porém são aplicáveis a valores desde -50ºC (122ºF) até +300ºC (572ºF).

abaixo

6.6. Sistemas termoelétricos a) Termopares O princípio de funcionamento desses termômetros é a formação de uma força eletromotriz (f.e.m.), que se gera no circuito formado pela junção de dois metais diferentes, quando essas junções estão a temperaturas diferentes, conforme a figura

A f.e.m. gerada é tanto mais intensa quanto maior for a diferença de temperatura (T1 - T2), servindo, portanto, como medida de T1 se T2 for mantida constante.

Os termopares mais usados, industrialmente falando, são formados pelos pares: ferro e constantan; cromel e alumel; cobre e constantan.

O termopar é um meio prático de medir temperatura, pois, além de ser possível instalá-lo em qualquer lugar, pode, ainda, a f.e.m. ser medida a grandes distâncias sem perda de precisão.

A escolha de um termopar para um determinado serviço, deve ser feita considerando todas as possíveis variáveis e normas exigidas pelo processo.

Os fios que interligam o par termoelétrico ao instrumento medidor são denominados “fios de extensão” ou “fios de compensação”.

Os termopares em geral, tem seus fios isolados por isoladores de cerâmica e terminam num bloco de conexão, onde os “fios de extensão” são conectados.

A tabela a seguir relaciona os tipos de termopares e a faixa de temperatura usual, com as vantagens e restrições.

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T Cobre Constantan -184 a 370ºC

- resiste a atmosfera corrosiva; - aplicável em atmosfera redutora ou oxidante abaixo de 310ºC; - sua estabilidade o torna útil em temperaturas abaixo de 0ºC; - apresenta boa precisão na faixa de utilização.

- Oxidação do cobre acima de 310ºC.

J Ferro Constantan 0 a 760ºC - baixo custo; - indicados para serviços contínuos até 760ºC em atmosfera neutra ou redutora.

- limite máximo de utilização em atmosfera oxidante de 760ºC devido à rápida oxidação do ferro; - utilizar tubo de proteção acima de 480ºC.

E Chromel Constantan 0 a 870ºC

- alta potência termoelétrica; - os elementos são altamente resistentes a corrosão, permirindo o uso em atmosfera oxidante.

- baixa estabilidade em atmosfera redutora.

K Chromel Alumel 0 a 1260ºC

- indicado para atmosfera oxidante; - para faixa de temperatura mais elevada fornece rigidez mecânica melhor que os tipos S ou R e vida mais longa do que o tipo J.

- vulnerável em atmosferas redutoras sulforosas e gases como SO² e H²S, requerendo substancial proteção quando utilizado nessas condições.

S Platina 10% Rhodio Platina

R Platina 13% Rhodio Platina

0 a 1480ºC

- indicado para atmosfera oxidante; - apresenta boa precisão a altas temperaturas.

- vulnerável a contaminação em atmosferas que não sejam oxidantes; - para altas temperaturas, utilizar isoladores e tubos de proteção de alta alumina.

B Platina

30% de Rhodio Platina 6% de Rhodio 870 a 1705ºC

- melhor estabilidade do que os tipos S ou R; - melhor resistência mecânica;

- mais adequado para altas temperaturas do que os tipos S ou R; - não necesita de compensação de junta de referência, se a temperatura desta não exceder a 50ºC.

- vulnerável a contaminação em atmosferas que não sejam oxidantes; - para altas temperaturas, utilizar isoladores e tubos de proteção de alta alumina.

N Nicrosil Nisil 0 a 1260ºC

- melhor resistência à oxidação, melhor estabilidade em altas temperaturas e aumento da vida útil em aplicações onde existe a presença de enxofre, quando comparado com o tipo K.

- melhor desempenho na forma de termopar de isolação mineral.

• Fonte: Catálogo Geral Pirometria – ECIL S.A. Professor Luís Francisco Casteletti 16

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Para facilitar a identificação do tipo de fio e da polaridade dos condutores, cada norma convencionou as cores das isolações. A tabela a seguir indica a codificação de cores utilizada, segundo as normas americana e alemã.

ANSI MC – 96.1 - 1982 NORMA ALEMÃ DIN 43710 - 4 IEC 584 3

TIPO POSITIVO NEGATIVO CAPA EXTE POSIT NEGA CAPA EXTE POSI NEGA CAPA EXTE POSI NEGA T TX Cobre Constantan Azul Azul Vermel MarromVerme Marrom Marrom MarromBranca

J JX Fero Constantan Preta Branca Vermel Azul Vermel Azul Preto Preto Branca E EX Chromel Constantan Roxa Roxa Vermel - - - Violeta Violeta Branca K KX Chromel Alumel Amarel Amarel Vermel Verde Vermel Verde Verde Verde Branca K WX* Ferro Cupronel Branca Verde Vermel Verde Vermel Verde - - - S, R SX Cobre Cu/Ni Verde Preta Vermel Branca Vermel Branca Laranja LaranjaBranca B BX Cobre Cobre Cinza Cinza Vermel - - - - - - N NX Nicrosil Nisil LaranjaLaranjaVermel - - - Rosa Rosa Branca

-Fonte: Catálogo Geral Pirometria – ECIL S.A.

- Fios e cabos tipo WX, para termopar tipo K, foram excluídos da Norma ANSI MC – 96.1.

b) Termômetros de resistência Seu princípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência elétrica dos metais com a temperatura. Geralmente, materiais usados são a platina ou o níquel.

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6.7. Pirômetros óticos Os corpos aquecidos emitem radiações perceptíveis ao olho humano quando as temperaturas são bastante elevadas.

Comparando-se a cor da radiação emitida com a de um padrão, consegue-se determinar a temperatura do corpo.

Os pirômetros óticos são usados em fornos de siderurgia, principalmente.

6.8. Instrumentos indicadores para termopares Geralmente, o indicador de temperatura é um instrumento múltiplo, isto é, muitos termopares chegam a um conjunto de chaves ou então chegam a um dispositivo digital que permite selecionar o par desejado.

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