Manual de Instrumentação, Manuais, Projetos, Pesquisas de Tecnologia Industrial

Baixe Manual de Instrumentação e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! Manual Tecnologia de Instr. e Automação 3 ÍNDICE: 1 OBJETIVO 5 2 PRESSÃO 6 2.1 Conceitos Básicos 6 2.2 Unidades 7 2.3 Manômetro 7 2.3.1 Acessórios 9 2.3.2 Classificação dos Manômetros 10 2.3.3 Fole 11 2.4 Coluna de Líquido 11 2.5 Transmissores de Pressão 13 2.5.1 Tipo Capacitivo 13 2.5.2 Tipo Strain Gauge ou Piezoresistivo 14 2.5.3 Sensor por Silício Ressonante 16 3 MEDIÇÃO DE VAZÃO 20 3.1 Conceitos Básicos 20 3.2 Tipos de Medidores de Vazão: 20 3.3 Medição de Vazão por Pressão Diferencial 21 3.3.1 Vantagens / Desvantagens 22 3.3.2 Tipos de Orifícios 22 MANUAL TECNOLOGIA DE INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO 2 3.4 Medidor Eletromagnético de Vazão 23 3.4.1 Principio de Funcionamento 23 3.4.2 Instalação do medidor magnético 24 3.5 Medidor Vortex 26 3.5.1 Principio de medição 26 3.5.2 Instalação 28 4 TEMPERATURA 29 4.1 Introdução 29 4.2 Escalas de Temperatura 30 4.2.1 Escala Internacional de Temperatura 31 4.3 Normas 32 4.4 Termômetros à dilatação de sólido bimetálico 33 4.5 Termômetros à par termoelétrico 36 4.6 Termômetro a dilatação de líquido 36 4.6.1 Características dos elementos básicos: 38 4.7 Termômetros a Pressão de Gás 39 4.8 Termômetro à Pressão de Vapor 41 4.9 Termopares 42 4.9.1 Efeitos Termoelétricos 43 4.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura 47 4.9.3 Tipos e Características dos Termopares 48 4.9.4 Tipos de Termopares : Tipo T - TERMOPARES DE COBRE CONSTANTAN 48 4.9.5 Tipos de Termopares : Tipo J - TERMOPARES DE FERROCONSTANTAN 49 4.9.6 Tipos de Termopares : Tipo E - TERMOPARES DE CROMEL CONSTANTAN 49 4.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL 50 4.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL 50 4.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RÓDIO - PLATINA 51 4.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RÓDIO / PLATINA - RÓDIO 51 4.9.11 Correção da Junta de Referência 52 4.9.12 Fios de Compensação e Extensão 53 4.9.13 Erros De Ligação 53 4.9.14 Termopar de Isolação Mineral 56 4.9.15 Associação de Termopares 57 4.10 Termoresistências 58 4.10.1 Princípio de Funcionamento 59 4.10.2 Construção Física do Sensor 60 4.10.3 Características da Termoresistência de Platina 61 4.10.4 Vantagens / Desvantagens: 62 4.10.5 Princípio de Medição 62 4.11 Medição de Temperatura por Radiação 64 4.11.1 Radiação Eletromagnética - Hipótese de Maxwell 64 4.11.2 Espectro eletromagnético 65 4.11.3 Teoria da Medição de Radiação 66 4.11.4 Pirômetros Ópticos 69 4.11.5 Radiômetro ou Pirômetros de Radiação 70 5 NÍVEL 72 5.1 Introdução 72 5.2 Métodos de Medição de Nível de Líquido 72 5.2.1 Medição Direta 72 5.3 Medição de Nível Indireta 74 5.3.1 Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pressão diferencial) 74 5.3.2 Medição por Pressão Diferencial em Tanques Pressurizados. 74 5.3.3 Medição de Nível com Borbulhador 76 5.3.4 Medição de Nível por Empuxo 77 5.3.5 Medição de Nível por Radiação 78 5.3.6 Medição de Nível por Capacitância 79 5.3.7 Medição de Nível por Ultra Som 80 5.3.8 Medição de Nível por Radar 81 5.3.9 Medição de Nível por Pressão Hidrostática 81 5.4 Medição de Nível Descontínua 82 5 1 OBJETIVO Este documento tem por objetivo listar as várias tecnologias de instrumentação e automação do projeto HDF, esclarecendo os conceitos envolvidos. O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor. Nos diversos segmentos de mercado; químicos, petroquímicos, siderúrgicos, cerâmicos, farmacêuticos, vidreiros, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre outros. 6 2 PRESSÃO 2.1 CONCEITOS BÁSICOS A pressão entre todas as variáveis de processo se ressalta pela sua importância, pois diversas outras variáveis são medidas utilizando-se indiretamente a pressão, como por exemplo vazão, esta variável pode ser medida utilizando a pressão diferencial de uma placa de orifício com o fluxo através da mesma. O conceito sobre pressão que iremos falar aqui é superficial, trataremos dos princípios básicos e funcionamento dos instrumentos, começamos assim por manômetros industrias, vamos então definir de forma simples o que é pressão: A pressão é definida como o quociente entre uma força F e uma superfície de área A, isto é: A F =Ρ A unidade de força Newton (N) é definida como: 211 s mKgN = A partir dela é diretamente derivada a unidade de pressão pascal (Pa), assim denominada em honra ao físico francês Blaise Pascal: 211 m NPa = Pressão atmosférica: É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg. Pressão Relativa: É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. Pressão Absoluta: É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto. Importante: Ao se exprimir um valor de pressão, determinar se a pressão é relativa ou absoluta. Exemplo: 3 Kgf/cm2 ABSPressão Absoluta 4 Kgf/cm2 Pressão Relativa. O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos instrumentos mede pressão relativa. 7 Pressão Negativa ou Vácuo: É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. Pressão diferencial: É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆Ρ . Essa diferença de pressão normalmente é utilizada para se medir vazão e nível. Pressão estática: É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso, por unidade de área exercida Pressão dinâmica ou cinética: É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que recebe o impacto do fluxo. 2.2 UNIDADES A pressão pode ser dada em qualquer unidade que expresse o quociente de uma força por uma superfície ou altura de coluna de liquido de peso especifico conhecido,na industria as unidades mais usadas para pressão são: barinCAmmHgmmCApsicmgf ,,,,,. 2Κ .A unidade padronizada para expressar uma pressão em nossa planta de energia , no projeto HDF é o bar . Na tabela abaixo apresentamos a conversão das principais unidades de pressão em relação ao bar . bar psi inH20 Kgf/cm2 mmHg Kpa 1 14,503 402,164 1,02 752,47 100 2.3 MANÔMETRO O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro, que pode ter vários elementos sensíveis e que podem ser utilizados também por transmissores e controladores. O manômetro com tubo Bourdon consiste de um tubo com seção oval, disposto na forma de arco de circunferência tendo uma extremidade fechada, estando à 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.Quanto à forma, o tubo de Bourdon pode se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal. 10 Manômetro tipo diafragma 2.3.2 Classificação dos Manômetros Pela tolerância:  Classe A4-0,01% da faixa  Classe A3-0,25% da faixa  Classe A2-0,50 da faixa  Classe A1-1,00% da faixa  Classe A-1% entre 25% e 75% da faixa,restante 2%  Classe B-2% entre 25% e 75% da faixa,restante 3%  Classe C-3% entre 25% e 75% da faixa,restante 4%  Classe D-4% entre 25% e 75% da faixa,restante 4% Pela faixa de pressão  baixa pressão, pressões de gases abaixo de 25 bar e pressões de liquido abaixo de 60 bar .  media pressão, pressões de gases de 25 bar até 60 bar e líquidos de 60 bar até 400bar .  alta pressão,pressões de gases acima de 160 bar e pressões de líquidos acima de 400 bar . Sobrepressão Os valores de sobrepressão não devem exceder os limites da tabela abaixo e num tempo Maximo de 1 minuto sobre esta pressão. Pressão nominal 0-60 bar Sobrepressão 30% acima do F.E. 60-400 bar . 15% acima de F.E. Acima de 400 bar . 10% acima de F.E. 11 Nota: Toda vez em que o instrumento sofrer uma sobrepressão deverá ser substituído ou calibrado novamente devido o zero normalmente deslocar, comunique o instrumentista de turno. 2.3.3 Fole O fole é também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado.Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. 2.4 COLUNA DE LÍQUIDO Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada, a coluna podem ser basicamente de três tipos: coluna 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 a pressão aplicada. 12 P1 = Px + gH2OL + gHgh P2 = Py + gH2O(h + L) , P1 = P2 Px + gH2OL + gHgh = Py + gH2O(h+ L) = Py + gH2Oh + gH2OL , Py = 0 Px = gH2Oh - gHgh h = Px / (gH2O - gHg) Num corpo continuo de liquido estático a intensidade de pressão cresce diretamente com a profundidade, medida a partir da superfície livre, a pressão de fluido atua perpendicularmente a todas as superfícies com as quais está em contato, em qualquer ponto interno do fluido a pressão tem a mesma intensidade em todas direções e sentidos, esta pressão é transmitida deforma instantânea e integral a todos os pontos do liquido, esta propriedade é caracterizada em nossa prensa de linha. Manômetro de tubo inclinado Manômetro de Reservatório 15 Da física tradicional sabemos que um material ao sofrer uma flexão , suas fibras internas serão submetidas a dois tipos de deformação (tração e compressão), as fibras mais externas sofrem um alongamento com a tração pois pertencem ao perímetro de maior raio de curvatura , enquanto as fibras internas sofrem uma redução de comprimento (menor raio de curvatura) . Como o fio solidário à lâmina também sofrerá o alongamento, acompanhando a superfície externa, variando a resistência total . Visando aumentar a sensibilidade do sensor , usaremos um circuito sensível a variação de resistência e uma configuração conforme esquema a seguir : Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone , como mostrado a seguir , que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente , pois todos os elementos estão montados em um único bloco,por ex. os transmissores das prensas de nosso processo úmido. 16 2.5.3 Sensor por Silício Ressonante A tecnologia utilizada em nossa planta de energia para os transmissores de pressão e nível é a tecnologia por silício ressonante,optamos por esta tecnologia em função de uma melhor estabilidade do zero na calibração quando comparada a tecnologia capacitiva, isto se retrata principalmente por dois aspectos, o primeiro é o fato de não se haver uma conversão A/D e a outra pelo fato do sensor primário ter uma resposta linear com a pressão.O sensor do silício ressonante consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma , utilizando-se do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa freqüência seja proporcional a pressão aplicada. 17 Todo o conjunto pode ser visto através da figura acima, porém, para uma melhor compreensão de funcionamento deste transmissor de pressão, faz-se necessário desmembrá-lo em algumas partes vitais,Na figura a seguir podemos ver o conjunto do sensor, este conjunto possui um imã permanente e o elemento sensor de silício. Dois fatores que irão influenciar na ressonância do sensor de silício são: o campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; o segundo será o campo elétrico gerado por uma corrente em AC (além das pressões exercidas sobre o sensor, obviamente). Este enfoque pode ser observado na figura abaixo: 20 3 MEDIÇÃO DE VAZÃO 3.1 CONCEITOS BÁSICOS A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo; podem também ser incluídos os instrumentos que indicam a quantidade total movimentada, num intervalo de tempo.A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros,mm 3 , cm 3 , m 3 , galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, Kg, toneladas,libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m 3 /hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa, em Kg/h ou em m 3 /h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições base" consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0 °C, 20 °C, ou a outra temperatura. qualquer. Na medição de gases ,é comum indicar a vazão em m 3 /h (metros cúbicos por hora, ou seja, a temperatura. de 0 °C e a pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura. 60 °F e14,696 PSIA de pressão atmosférica). Vale dizer que: 1m 3 = 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros,1 pé cúbico = 0,0283168 m 3 1 libra = 0,4536 Kg. 3.2 TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO: Existem dois tipos de medidores de vazão, os medidores de quantidade e os medidores volumétricos, nós estaremos enfocando mais o volumétrico devido justamente ser este tipo de medidor o empregado em nossa planta de energia. Medidores de Quantidade: São aqueles que, a qualquer instante permitem saber que quantidade de fluxo passou mas não vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.  Medidores de Quantidade por Pesagem: São utilizados para medição de sólidos, que são as balanças industriais.  Medidores de Quantidade Volumétrica: São aqueles que o fluído, passando em quantidades sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação.São estes medidores que são utilizados para serem os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplo: disco mutante, tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alternativa, tipo pás, tipo engrenagem, etc. Medidores Volumétricos: São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo,será o medidor de vazão empregado na planta de energia para se medir vazão de água,vapor,óleo e etc. 21 3.3 MEDIÇÃO DE VAZÃO POR PRESSÃO DIFERENCIAL O transmissor de Vazão tem como função transmitir a vazão do processo para uma sala de controle ou sistema de controle. A vazão é a principal variável na maioria dos processos industriais. Existem vários métodos e instrumentos para medição de vazão. O mais comumente utilizado é a medição de vazão por diferença de pressão. Uma restrição é instalada em uma linha e através da pressão diferencial podemos medir a vazão com uma boa precisão. O instrumento utilizado para medir a pressão diferencial é o transmissor de pressão diferencial. É um medidor de pressão como já vimos anteriormente, só que as duas câmaras de tomadas de pressão são utilizadas no processo,ou seja, tomadas de alta (H) e baixa (L) pressão. Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por DP, é que os mesmos podem ser aplicados numa grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluídos com sólidos em suspensão, bem como fluídos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que o mesmo causa ao processo , sendo a placa de orifício, o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do DP gerado). O cálculo da vazão para a medição com instrumentos de pressão diferencial é basicamente: onde: Q=Vazão do fluido na região da restrição; K = Coeficiente que representa de forma universal, características do fluido, diâmetro e tubulação. A = Área de passagem da restrição. DP = Perda de carga entre montante e jusante da restrição. 22 Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum empregado é o da placa de orifício.Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação.É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque, se ficarem, imprecisas ou corroídas pelo fluído, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente é fabricado com aço inox, monel, latão, etc.,dependendo do fluído 3.3.1 Vantagens / Desvantagens Vantagens:  Instalação fácil  Econômica  Construção simples  Manutenção e troca simples Desvantagens:  Alta perda de carga  Baixa rangeabilidade 3.3.2 Tipos de Orifícios  Orifício concêntrico: Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão.  Orifício excêntrico: Utilizada quando tivermos fluído com sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo.  Orifício segmental: Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluídos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão.Na foto abaixo você verá um exemplo de placa de orifício tipo concêntrico. 25 Na figura abaixo temos uma visão simplificada do medidor magnético de nossa planta de energia que é o Admag e na seqüência a foto deste modelo. Medidor magnético de vazão modelo ADMAG 26 3.5 MEDIDOR VORTEX Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices; que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura abaixo. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos.Os vórtices também podem ser observados em situações freqüentes do nosso dia a dia, como por exemplo:O movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza; As bandeiras flutuando ao vento; As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostas ao vento.Na figura abaixo você verá o principio do medidor vortex utilizado em nossa planta de energia. 3.5.1 Principio de medição O principio de medição do vortex é a introdução de um probe de formato definido no jato da vazão,que produz os vórtices de Van Karman, a freqüência destes vórtices é linearmente proporcional à velocidade e, portanto,à vazão volumétrica do fluido,como o vortex é um medidor que extrai energia do fluido, há limitações de velocidade e de numero de Re, desta forma, o obstáculo de geometria definida é colocada de forma a obstruir parcialmente um tubo em que escoa um fluido,há formação de vórtices que se desprendem alternativamente dos lados do obstáculo, conforme figura nossa acima,a freqüência de desprendimento ( f ) dos vórtices, no caso de um obstáculo bidimensional de dimensão transversal ( d ), é relacionada à velocidade (V ) do fluido por uma constante,chamada de Strouhal, V dfS .= . onde: S = numero de Strouhal f = freqüência de desprendimento d = dimensão do probe 27 V = velocidade do fluido Adicionalmente, neste caso a expressão VAQ .= também é válida. onde: Q = vazão volumétrica A = área da seção da tubulação V = velocidade do fluido Mediante uma simples substituição, e considerando os parâmetros constantes agrupados em único fator,teremos que a vazão será fKQ .= onde: Q = vazão volumétrica K = VA. f = freqüência Na foto abaixo nós podemos ver o medidor vortex que será instalado na planta de energia 30 Convecção: A 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 liquida ou gás. 4.2 ESCALAS DE TEMPERATURA Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetro, sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época, para Peso, Distância, Tempo.As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e a Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit. A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado" utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit, são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários.Se abaixarmos a temperatura continuamente de uma substância, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar, pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura. através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura,existem duas escalas absolutas atualmente em uso: a escala Kelvin e a Rankine,a escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível, 273,15 graus abaixo do zero da Escala Celsius.A Escala Rankine possui obviamente o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da Escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas:- Kelvin ==> 400K (sem o símbolo de grau “°”). Rankine ==> 785R. A Escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado a favor da Escala Celsius de aceitação universal.A Escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa a Reamur, hoje já praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (Representação - °Re). 31 A figura a seguir, compara as escalas de temperaturas existentes. 4.2.1 Escala Internacional de Temperatura Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômenos de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura,a primeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68).A mudança de estado de substâncias puras (fusão, ebulição) é normalmente desenvolvida sem alteração na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substância é utilizado pelo mecanismo de mudança de estado. Os pontos fixos utilizados pela IPTS-68 são dados na tabela abaixo: 32 Observação: Ponto triplo é o ponto em que as fases sólidas, líquidas e gasosas encontram-se em equilíbrio.A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34°C, baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo o ponto de fusão de alguns metais puros.Hoje já existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de temperatura e que definiu alguns pontos fixos de temperatura. PONTOS FIXOS IPTS-68 ITS-90 Ebulição do Oxigênio -182,962°C -182,954°C Ponto triplo da água +0,010°C +0,010°C Solidificação do estanho +231,968°C +231,928°C Solidificação do zinco +419,580°C +419,527°C Solidificação da prata +961,930°C +961,780°C Solidificação do ouro +1064,430°C +1064,180°C 4.3 NORMAS Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos países, criou-se uma série de normas e padronizações, cada uma atendendo uma dada região. As mais importantes são:  ANSI - AMERICANA  DIN - ALEMÃ ESTADO DE EQUILÍBRIO TEMPERATURA (°C) Ponto triplo do hidrogênio -259,34 Ponto de ebulição do hidrogênio -252,87 Ponto de ebulição do neônio -246,048 Ponto triplo do oxigênio -218,789 Ponto de ebulição do oxigênio -182,962 Ponto triplo da água 0,01 Ponto de ebulição da água 100,00 Ponto de solidificação do zinco 419,58 Ponto de solidificação da prata 916,93 Ponto de solidificação do ouro 1064,43 35 escala.Normalmente usa - se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente de dilatação e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação.A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50 a 800 oC, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1%. 36 4.5 TERMÔMETROS À PAR TERMOELÉTRICO Muito utilizado para medição de temperaturas acima de 200 graus Celsius, o princípio de funcionamento é baseado na descoberta do Físico alemão Seeback que observou uma diferença de potencial entre a junção de dois metais diferentes.Nessa experiência, Seeback utilizou uma bússola sensível ao campo magnético criado pela corrente no circuito do termopar. 4.6 TERMÔMETRO A DILATAÇÃO DE LÍQUIDO Os termômetros de dilatação de líquidos, baseia-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado. A equação que rege esta relação é: ( ) ( ) ( )[ ]32 .3.2.11. tttVoVt ∆+∆+∆+= βββ onde: =t temperatura do liquido em C° =Vo volume do liquido a temperatura inicial de referencia to =Vt volume do liquido a temperatura t =3,2,1 βββ coeficiente de expansão do liquido 1−°C tott −=∆ Teoricamente esta relação não é linear, porém como os termos de segunda e terceira ordem são desprezíveis, na prática consideramos lineares. E daí: ).1.( tVoVt ∆+= β Os tipos podem variar conforme sua construção:  - Recipiente de vidro transparente  - Recipiente metálico Termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro é constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção , mais uniforme possível fechado na parte superior.O reservatório e parte do capilar são preenchidos de um líquido. Na parte superior do capilar existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar 37 seu limite máximo.Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste, a medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida.Os líquidos mais usados são: Mercúrio, Tolueno, Álcool e Acetona ,nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico. LÍQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO(oC) PONTO DE EBULIÇÃO(oC) FAIXA DE USO(oC) Mercúrio -39 +357 -38 a 550 Álcool Etílico -115 +78 -100 a 70 Tolueno -92 +110 -80 a 100 No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550OC injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio, por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmiti-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica. Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico: Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e sob o efeito de um aumento de temperatura se dilata, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). 40 Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos.O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay- Lussac, expressa matematicamente este conceito: Tn Pn T P T P === ...... 2 2 1 1 onde: =2,1 PP pressões absolutas relativas às temperaturas =2,1 TT temperaturas absolutas Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante,desta forma podemos expressar a pressão como sendo também T VP = O gás mais utilizado é o N 2 e geralmente é pressurizado com uma pressão de 20 a 50 atm., na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100 a 600 oC, sendo o limite inferior devido à própria temperatura crítica do gás e o superior proveniente do recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura , o que acarretaria sua perda inutilizando o termômetro. Tipos de gás de enchimento: 41 Gás Temperatura Crítica Hélio ( He ) - 267,8 oC Hidrogênio ( H2 ) - 239,9 oC Nitrogênio ( N2 ) - 147,1 oC Dióxido de Carbono ( CO2 ) - 31,1 oC 4.8 TERMÔMETRO À PRESSÃO DE VAPOR Sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton: “A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume",portanto para qualquer variação de temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disto, uma variação na pressão dentro do capilar.A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em: 58,4 2 1 1 1 . 2 1       − = TTHe P P A tabela a seguir, mostra os líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição: Líquido Ponto de Fusão ( oC ) Ponto de ebulição ( oC ) Cloreto de Metila - 139 - 24 Butano - 135 - 0,5 Éter Etílico - 119 34 42 Tolueno - 95 110 Dióxido de enxofre - 73 - 10 Propano - 190 - 42 4.9 TERMOPARES Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m.. Este princípio conhecido por efeito Seebeck propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura acima .O sinal de f.e.m. gerado pelo gradiente de temperatura ( t∆ ) existente entre as juntas quente e fria, será de um modo geral indicado, registrado ou transmitido. A medição de temperatura com o termopar consiste em medir a milivoltagem gerada pela junta de medição (junta quente: extremidade do termopar que está em contato com a temperatura que se deseja medir). No termopar a diferença de potencial desenvolvida é uma função da diferença de temperatura das duas juntas.A diferença de potencial medida na extremidade oposta à junta de medição portanto, não representa a tensão real da junta de medição, e sim a diferença da junta de medição e a junta de referência. Para isso, é preciso conhecer a temperatura da junta de referência ou mantê-la controlada para se obter a tensão real do termopar. Essa tensão é convertida em um sinal padrão que indicará a temperatura na junta de medição.Atualmente circuitos eletrônicos já compensam essa temperatura automaticamente. Em instrumentos mais antigos, havia um módulo somente para controlar a temperatura 45 temperatura é o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-se tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior como pelo próprio par termoelétrico. O coeficiente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma junção, sendo independente da temperatura da outra junção .O calor Peltier é reversível. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier é o mesmo, porém em sentido oposto. Efeito termoelétrico de Thomson Em 1854, Thomson conclui, através das leis da termodinâmica, que a condução de calor, ao longo dos fios metálicos de um par termoelétrico, que não transporta corrente, origina uma distribuição uniforme de temperatura em cada fio. Quando existe corrente, modifica-se em cada fio a distribuição de temperatura em uma quantidade não inteiramente devida ao efeito Joule. Essa variação adicional na distribuição da temperatura denomina-se efeito Thomson.O efeito Thomson depende do metal de que é feito o fio e da temperatura média da pequena região considerada. Em certos metais há absorção de calor, quando uma corrente elétrica flui da parte fria para a parte quente do metal e que há geração de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto é, há liberação de calor quando uma corrente elétrica flui da parte quente para a parte fria do metal . Conclui-se que, com a circulação de corrente ao longo de um fio condutor, a distribuição de temperatura neste condutor se modificará, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo efeito Thomson. Efeito termoelétrico de Volta A experiência de Peltier pode ser explicada através do efeito Volta enunciado a seguir: “Quando dois metais estão em contato a um equilíbrio térmico e elétrico, existe entre eles uma diferença de potencial que pode ser da ordem de Volts”.Esta diferença de potencial depende da temperatura e não pode ser medida diretamente. Leis Termoelétricas Da descoberta dos efeitos termoelétricos partiu-se através da aplicação dos princípios da termodinâmica, a enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com 46 termopares, portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores. Lei do circuito homogêneo “A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes, com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios". Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções. Um exemplo de aplicação prática desta lei é que podemos ter uma grande variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, que esta não influirá na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas, portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas. Lei dos metais intermediários “A soma algébrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura". Deduz-se daí que um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais. Onde se conclui que: 47 T3 = T4 --> E1 = E2 T3 = T4 --> E1 = E2 Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote. Lei das temperaturas intermediárias A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si, com as suas junções as temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito, com as junções as temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções as temperaturas T2 e T3,um exemplo prático da aplicação desta lei, é a compensação ou correção da temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem. 4.9.2 Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar, podemos, portanto, construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m., por uma questão prática padronizou- se o levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C. 50 4.9.7 Tipos de Termopares : Tipo K - TERMOPARES DE CHROMEL ALUMEL  Composição: Níquel-Cromo (+)/Níquel-Alumínio (-). O fio positivo de Níquel-Cromo é conhecido comercialmente como Chromel e o negativo Cromo-Alumínio como Alumel. O Alumel é uma liga de Níquel, Alumínio, Manganês e Silício.  Características: São recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por sua resistência à oxidação, são melhores que os tipos T, J, E e por isso são largamente usados em temperaturas acima de 540ºC. Ocasionalmente podem ser usados em temperaturas abaixo de zero grau.  Não devem ser utilizados em: 1) Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2) Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rápida ferrugem e quebra dos elementos. 3) Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o Cromo do elemento positivo pode vaporizar-se causando erro no sinal do sensor (descalibração). 4) Atmosferas que facilitem a corrosão chamada de “green root”. Green root, oxidação verde, ocorre quando a atmosfera ao redor do termopar possui pouco oxigênio, como por exemplo dentro de um tubo de proteção longo, de pequeno diâmetro e não ventilado. O green-root pode ser minimizado aumentando o fornecimento de oxigênio através do uso de um tubo de proteção de maior diâmetro ou usando um tubo ventilado. Outro modo é diminuir a porcentagem de oxigênio para um valor abaixo da qual proporcionará corrosão. Isto é feito inserindo-se dentro do tubo um “getter” ou elemento que absorve oxigênio e vedando-se o tubo. O “getter” pode ser por exemplo uma pequena barra de titânio.  Aplicação: É o mais utilizado na indústria em geral devido a sua grande faixa de atuação até 1200ºC.  Identificação da polaridade: Níquel-cromo (+) não atrai ímã e o Níquel-Alumínio (-) levemente magnético. 4.9.8 Tipos de Termopares : Tipo N - TERMOPARES DE NICROSIL - NISIL  Composição: Níquel 14,2%-Cromo 1,4%-Silício (+) / Níquel 4,4%-Silício0,1%-Magnésio (-).  Desenvolvido na Austrália, este termopar foi aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials), NIST (Antigo NBS- National Bureau of Standard) e ABNT. 51  Está se apresentando como substituto do termopar tipo , de -200 a 1200ºC, possui uma potência termoelétrica menor em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, excelente resistência à corrosão e maior vida útil. Resiste também ao “green-root” e seu uso não é recomendado no vácuo. 4.9.9 Tipos de Termopares : Tipo S/R - TERMOPARES DE RÓDIO - PLATINA  Tipo S: Composição: Platina 90% - Ródio 10% (+) / Platina (-)  Tipo R: Composição: Platina 97% - Ródio 13% (+) / Platina (-)  Características: São recomendados para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. O uso contínuo em altas temperaturas causa excessivo crescimento de grão, podendo resultar em falha mecânica do fio de Platina (quebra de fio), e tornar os fios susceptíveis à contaminação, causando redução da F.E.M. gerada. Mudanças na calibração também são causadas pela difusão ou volatilização do Ródio do elemento positivo para o fio de Platina pura do elemento negativo. Todos estes efeitos tendem a causar heterogeneidades que influenciam na curva característica do sensor. Os tipos S e R não devem ser usados no vácuo, em atmosferas redutoras ou atmosferas com vapores metálicos a menos que bem protegidos com tubos protetores e isoladores cerâmicos de alumina e quando se usa tubo de proteção de Platina (tubete) que por ser do mesmo material, não contamina os fios e dá proteção necessária aos elementos. Apresentam grande precisão e estabilidade em altas temperaturas sendo utilizados como sensor padrão na calibração de outros termopares. A diferença básica entre o tipo R e S está na diferença da potência termoelétrica, o tipo R gera um sinal aproximadamente 11% maior que o tipo S.  Aplicação: Processos com temperaturas elevadas ou onde é exigida grande precisão como indústrias de vidro, indústrias siderúrgicas, etc.  Identificação da polaridade: Os fios positivos de Platina-Ródio 10% e Platina-Ródio 13% são mais duros que o fio de platina (-). 4.9.10 Tipos de Termopares : Tipo B - TERMOPARES DE PLATINA- RÓDIO / PLATINA - RÓDIO  Composição: Platina 70%-Ródio 30% (+) / Platina 94%-Ródio 6% (-)  Características: Seu uso é recomendado para atmosferas oxidantes e inertes, também adequado para curtos períodos no vácuo. Não deve ser aplicado em atmosferas redutoras nem as que contem vapores metálicos, requerendo tubo de proteção cerâmico como o tipo R e S. O tipo B possui maior resistência mecânica que os tipos R e S. Sua potência termoelétrica é baixíssima, em temperaturas de até 50ºC o sinal é quase nulo. Não necessita de cabo compensado para sua interligação.É utilizados cabos de cobre comum (até 50ºC).  Aplicação: Utilizado em industrias no qual o processo exige altas temperaturas.  Identificação da polaridade: Platina 70%-Ródio 30% (+) é mais duro que o Platina 94%-Ródio 52 4.9.11 Correção da Junta de Referência As tabelas existentes da f.e.m. gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0 °C (ponto de solidificação da água), porém nas aplicações práticas dos termopares junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta se encontra a temperatura ambiente que é normalmente diferente de 0 °C e variável com o tempo, tornando assim necessário que se faça uma correção da junta de referência, podendo esta ser automática ou manual,os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente, sendo um dos métodos utilizados, a medição da temperatura nos terminais do instrumento, através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona a milivoltagem que chega aos terminais, uma milivoltagem correspondente a diferença de temperatura de 0 °C à temperatura ambiente. Existem também alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20 °C ou 25 °C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro que será tanto maior quanto maior for a diferença de temperatura ambiente e do valor fixo. É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então para medirmos a temperatura do ponto desejado precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável. FEM = JM - JR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV ⇒ 20 °C Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada pois o valor da temperatura correta que o meu termômetro tem que medir é de 50 °C. FEM = JM - JR 55 Conforme o esquema a seguir, os fios de compensação foram invertidos,assume-se que o forno esteja a 538 °C, o cabeçote a 38 °C e o registrador a 24 °C. Devido à diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma FEM de 0,57 mV. Porém em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice- versa. Isto fará com que a FEM produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador. Isto fará com que o registrador indique uma temperatura negativa. Inversão dupla No caso a seguir, consideramos o caso da existência de uma dupla inversão, isto acontece com freqüência pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta. 56 4.9.14 Termopar de Isolação Mineral O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior, conseqüentemente a durabilidade do termopar depende da resistência a corrosão da sua bainha e não da resistência a corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes. Vantagens dos termopares de isolação mineral:  Estabilidade Na Força Eletromotriz: A estabilidade da FEM do termopar é caracterizada em função dos condutores estarem completamente protegidos contra a ação de gases e outras condições ambientais, que normalmente causam oxidação e conseqüentemente perda da FEM gerada.  Resistência Mecânica: O pó muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém os condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado achatado, torcido ou estirado, suporte pressões externas e choque térmico , sem qualquer perda das propriedades termoelétricas.  Dimensão Reduzida: O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação mineral, com bainhas de diâmetro externo até 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais.  Impermeabilidade A Água , Óleo E Gás: A bainha metálica assegura a impermeabilidade do termopar a água, óleo e gás.  Facilidade de Instalação: A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo comprimento grande resistência mecânica, asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações mais difíceis.  Adaptabilidade: A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica podem ser montados acessórios, por 57 soldagem ou brasagem e quando necessário, sua seção pode ser reduzida ou alterada em sua configuração.  Resposta Mais Rápida: A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de magnésio, proporcionam ao termopar de isolação mineral um tempo de resposta que é virtualmente igual ao de um termopar descoberto de dimensão equivalente.  Resistência a Corrosão: As bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistir ao ambiente corrosivo.  Resistência de Isolação Elevada: O termopar de isolação mineral tem uma resistência de isolação elevada, numa vasta gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais úmidas.  Blindagem Eletrostática: A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada, oferece uma perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico. 4.9.15 Associação de Termopares Podemos ligar os termopares em série simples para obter a soma das mV individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizado em pirômetros de radiação total, ou seja, para soma de pequenas mV. O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se compensar deverá compensar uma mV correspondente ao no. de termopares aplicados na associação. Exemplo.: 3 termopares  mVJR = 1 mV  compensa 3 mV Associação série – oposta Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos ligamos os termopares em série opostos.o que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento,os termopares sempre são do mesmo tipo. 60  Alta resistividade, permitindo assim uma melhor sensibilidade do sensor.  Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura.  Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos. A equação que rege o fenômeno é a seguinte: Para faixa de -200 a 0 oC: ( )[ ]100....1. 32 −+++= TTCTBTARoRt Para faixa de 0 a 850 oC: [ ]2..1. TBTARoRt ++= onde: =Rt resistência na temperatura ( )ΩT =Ro resistência a ( )Ω°C0 =T temperatura ( )C° A , B , C = coeficientes inerentes do material empregado A = 3,90802 . 10-3 B = -5,802 . 10-7 C = -4,2735 . 10-12 O número que expressa a variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa ( )α e se relaciona da seguinte forma: Um valor típico de alfa para R100 = 138,50 Ω é de 3,850.10-3 Ω . Ω -1 . oC-1 segundo a DIN-IEC 751/85. 4.10.2 Construção Física do Sensor O bulbo de resistência se compõe de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização.As termoresistências de Ni e Cu têm sua isolação normalmente em esmalte, seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes a temperatura, pois acima de 300 °C o níquel perde suas propriedades características de 61 funcionamento como termoresistência e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310 °C.Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas, têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios.Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho abaixo. Esta montagem não tem problemas relativos a dilatação, porém é extremamente frágil. Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumina de alta pureza com fixador vítreo. É um meio termo entre resistência a vibração e dilatação térmica.A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes. 4.10.3 Características da Termoresistência de Platina As termoresistência Pt - 100 são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade das termoresistência de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270 °C a 660 °C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, pois é a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características (resistência - temperatura) dentro da faixa especificada de operação. Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de confiabilidade da termoresistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando- se a variação encontrada quando de medição novamente na mesma temperatura. O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio em que se realiza a medição está sujeito a mudanças bruscas.Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura. 62 Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níqueis isolados entre si, sendo a extremidade aberta ,selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar.Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta. 4.10.4 Vantagens / Desvantagens: Vantagens:  Possui maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores.  Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação.  Dispensa utilização de fiação especial para ligação.  Se adequadamente protegido, permite utilização em qualquer ambiente.  Têm boas características de reprodutibilidade.  Em alguns casos substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens:  São mais caras do que os sensores utilizados nessa mesma faixa.  Deterioram-se com mais facilidades, caso haja excesso na sua temperatura máxima de utilização.  Temperatura máxima de utilização 630 °C.  É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar corretamente.  Alto tempo de resposta. 4.10.5 Princípio de Medição As termoresistências são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4.R2 = R3.R1 e desta forma não circula corrente pelo detector de nulo, pois se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos. Para utilização deste circuito como instrumento de medida de Termoresistência, teremos as seguintes configurações: 65 induz uma força eletromotriz, o que é característico de um campo elétrico, Maxwell apresentou as seguintes hipóteses:  Um campo magnético variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo elétrico e inversamente,  Um campo elétrico variável é equivalente, nos seus efeitos, a um campo magnético. Com essas hipóteses, Maxwell generalizou, matematicamente, os princípios da Eletricidade. A verificação experimental de sua teoria só foi possível quando se considerou um novo tipo de onda, as chamadas ondas eletromagnéticas. Essas ondas surgem como conseqüência de dois efeitos: um campo magnético variável produz um campo elétrico, e um campo elétrico variável produz um campo magnético. Esses dois campos em constantes e recíprocas induções propagam-se pelo espaço. As ondas ocorrem quando uma perturbação originada em uma região pode ser reproduzida nas regiões adjacentes em um instante posterior.De acordo com Maxwell, se em um ponto P produzirmos um campo elétrico variável E, ele induzirá um campo magnético B variável com o tempo e com a distância ao ponto P. Além disso, o vetor B variável induzirá um vetor E, que também varia com o tempo e com a distância do campo magnético variável. Esta indução recíproca de campos magnéticos e elétricos, variáveis com o tempo e com a distância, torna possível a propagação desta seqüência de induções através do espaço. Portanto, uma perturbação elétrica no ponto P, devido à oscilação de cargas elétricas por exemplo, se propaga a pontos distantes através da mútua formação de campos elétricos e magnéticos variáveis. Maxwell estabeleceu equações para a propagação desta perturbação, mostrando que ela apresentava todas as características de uma onda: refletindo, refratando, difratando e interferindo. Por isto, denominou-a ondas ou radiações eletromagnéticas. 4.11.2 Espectro eletromagnético Hoje, sabemos que existe uma variação ampla e contínua nos comprimentos de onda e freqüência das ondas eletromagnéticas.No quadro abaixo, temos um resumo dos diversos tipos de ondas 66 eletromagnéticas chamadas espectro eletromagnético; as freqüências estão em hertz e os comprimentos de onda, em metros. Analisando esse quadro, observamos que luz, ondas de rádio e raios X são nomes dados a certas faixas de freqüência e comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Cada nome caracteriza uma faixa, na qual as ondas são emitidas e recebidas de um modo determinado. Por exemplo, a luz, de comprimentos de onda em torno de 10-6 m, pode ser percebida através de seu efeito sobre a retina, provocando a sensação de visão; mas, para detectar ondas de rádio, cujo comprimento de onda varia em torno de 105 m a 10-1 m, precisamos de equipamentos eletrônicos. 4.11.3 Teoria da Medição de Radiação Em 1860, Gustav Kirchoff demonstrou a lei que estabelecia a igualdade entre a capacidade de um corpo em absorver e emitir energia radiante. Essa lei é fundamental na teoria da transferência de calor por radiação. Kirchoff também propôs o termo "corpo negro" para designar um objeto que absorve toda a energia radiante que sobre ele incide. Tal objeto, em conseqüência, seria um excelente emissor. Em 1879, Joel Stefan enunciou, a partir de resultados experimentais, a lei que relaciona a radiância de um corpo com a sua temperatura. A radiância, W, é a potência da radiação térmica emitida, por unidade de 67 área da superfície do corpo emissor. Ludwig Boltzmann chegou, em 1884, às mesmas conclusões através da termodinâmica clássica , o que resultou na chamada Lei de Stefan-Boltzmann: 4.. TW δε= onde: =W energia radiante (Watts/m2) δ = Constante de Stefan-Boltzmann       − 2 4 8 ..10.7,5 m KW T = Temperatura absoluta ε = Emissividade Para o corpo negro a máxima emissividade é igual a um. Portanto: 4.TW δ= Embora o corpo negro seja uma idealização, existem certos corpos como laca preta, placas ásperas de aço, placas de asbesto, com poder de absorção e de emissão de radiação térmica tão altos que podem ser considerados idênticos ao corpo negro. O corpo negro é considerado, portanto, um padrão com o qual são comparadas as emissões dos corpos reais.Quando, sobre um corpo qualquer ocorrer à incidência de irradiação, teremos uma divisão dessa energia em três parcelas: WTWRWAW ++= W = energia Incidente WA = energia absorvida WR = energia refletida WT = energia transmitida 70 Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em consta os seguintes dados:  Os limites normais de utilização estão entre 750 °C e 2850 °C. Com filtros de absorção especiais, pode-se estender sua calibração até 5500 °C.  As medidas efetuadas com pirômetros ópticos são independentes da distância entre a fonte e o aparelho, além de que são providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido.  Em uso industrial, consegue-se uma precisão de até ± 2%.  Devido à medida de temperatura ser baseada na emissividade da luz (brilho), erros significativos podem ser criados, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida.  Quando o meio onde se executa a medida possui partículas em suspensão, causando assim uma diminuição da intensidade da luz proveniente da fonte, diminuindo a precisão da medição. 4.11.5 Radiômetro ou Pirômetros de Radiação Os radiômetros (ou pirômetros de radiação) operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os sistemas mais simples, neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha (associação em série - ver figura abaixo) ou do tipo semicondutor nos mais modernos, onde gera um sinal elétrico no caso da termopilha ou altera o sinal elétrico no caso do semicondutor.Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os radiômetros são em geral portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis. Graças à utilização de microprocessadores, o resultado das medições pode ser memorizado para o cálculo de temperaturas e seleção de valores. A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns radiômetros são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital. 71 Os radiômetros são usados industrialmente onde:  As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares.  A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas falsas e pequena durabilidade ao par .  No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam o produto.  O objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento.  Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques mecânicos ou impossibilidade de montagem.  Ao considerar-se uma aplicação deve-se levar em conta os seguintes dados:  A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação.  O sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo.  O material da fonte e sua emitância.  Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo para uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular).  As condições do ambiente, temperatura e poeira.  Velocidade do alvo. Os radiômetros operam numa faixa entre -30 °C a 4000 °C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundo a 98% da mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida. 72 5 NÍVEL 5.1 INTRODUÇÃO Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível:  Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.  Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc.  Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. 5.2 MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE LÍQUIDO Os três tipos básicos de medição de nível são: a) direto b) indireto c) descontínuo 5.2.1 Medição Direta É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador. Régua ou Gabarito Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. 75 Supressão de Zero Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real. Elevação de Zero 76 Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. Na figura abaixo, apresenta-se um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível. 5.3.3 Medição de Nível com Borbulhador Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância. Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor 77 equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida . Nota-se que teremos condições de instalar o medidor à distância. 5.3.4 Medição de Nível por Empuxo Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado.” A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. E = V . δ onde: E = empuxo V = volume deslocado δ = densidade ou peso específico do líquido Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade. Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos não miscíveis. Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque contendo 2 líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores etc. 80 A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato , através de sondas de proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor . A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque. . 5.3.7 Medição de Nível por Ultra Som O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso). Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som. 81 Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua. Os dispositivos destinados à detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto. 5.3.8 Medição de Nível por Radar Possui uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta freqüência à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassônico é a imunidade a efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detector, porém possui um custo relativo alto. 5.3.9 Medição de Nível por Pressão Hidrostática Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna liquida ,medimos o nível indiretamente utilizando o teorema de Stevin: dhP .= . Onde: =P pressão em OmmH 2 ou OHpol 2. =h nível em OmmH 2 ou OHpol 2. =d densidade relativa do liquido em relação à água na temperatura ambiente.Na figura abaixo você pode ver o nível sendo medido de forma indireta em um tanque. 82 5.4 MEDIÇÃO DE NÍVEL DESCONTÍNUA Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados como por exemplo em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo. Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido. Medição de nível descontínua por condutividade 85  Controle em malha aberta = Inversor Escalar ,com curva Volts/Hz fixa.  Controle em malha fechada = Inversor Vetorial ,com realimentação (feedback) Escalar: quando operado em malha aberta, a freqüência proporcional à rotação necessária é enviada ao motor e este, por sua vez, terá a sua rpm correspondente. Vetorial: No controle em malha fechada, a diferença está na existência de um elemento de realimentação, por exemplo, o encoder;acoplado ao eixo do motor ,e desta forma, além de ser enviado o mesmo sinal que no caso anterior, terá também um sinal adicional da realimentação que será comparado com o sinal desejado da velocidade, e assim, se o motor não estiver realmente na velocidade desejada, será compensado a diferença do sinal de controle de forma automática (Direct Vector Control). Se forem usadas bobinas sensoras de campo no enrolamento do motor, será Flux Vector Control. Se forem usados sensores de efeito Hall dentro do inversor, é chamado Sensorless Vector control. 6.3 VANTAGENS DO CONTROLE DE VELOCIDADE POR AFD  Economia de energia: A economia de energia proporcionada por estes equipamentos por si só paga o investimento destes dispositivos; um bom exemplo que podemos citar são as bombas e os ventiladores, aonde o consumo é reduzido pelo cubo da velocidade.  Processo: De acordo com o processo e aplicação podemos, através destes dispositivos, aumentar a produção, reduzir o índice de rejeitos e o consumo de matérias-primas ou aditivos de uma forma bastante dinâmica.  Qualidade: Pelo controle exato da velocidade requerida pelo processo, a qualidade do produto ficará dentro das normas de tolerância especificada .Também, o número de paradas e partidas desnecessárias do motor,sem controle da velocidade, é reduzida, garantindo assim, uma qualidade maior pois sua velocidade é sempre aquela solicitada pelo controle.  Manutenção: Em muitas bibliografias encontramos textos que afirmam não ser necessário a manutenção, o que não é bem verdade, pois os inversores demandam manutenção preventiva para que se possa aumentar a confiabilidade do sistema. No entanto, o índice de troca de peças é baixo. No que se refere ao motor AC, é redundante falar de suas vantagens, além do custo do motor ser bem menor em relação a um motor DC, a sua manutenção também não é necessária. 6.4 MOTOR AC O primeiro motor de escovas foi construído em 1833, do tipo DC, foi concebido na época para uma necessidade industrial para controlar a velocidade de motores DC. Por volta de 1899 foi desenvolvido o motor AC, como característica tinha-se a simplicidade e a robustez do motor. Quem inventou o motor 86 trifásico de Indução foi Tesla . A GE ,na época, (Thomas Edison) não quis comprar a patente.O Barão Westinghouse comprou e ficou milionário.O motor AC pode ser dividido em duas partes: indução e síncrono.como o motor de indução é o tipo mais comum no mercado, vamos relembrar aqui alguns conceitos.  O estator e o rotor são as duas partes principais do motor AC.  O estator é a parte fixa e o rotor é a parte móvel.  A corrente elétrica através dos enrolamentos produz o campo magnético nos pólos do motor sempre em número par.  A rotação do motor é definida pelo número de par de pólos; esta rotação será denominada de “ no ”(ene zero). NP fno 120.= 900 4 120.30 ==no rpm onde: =no rotação nominal =f freqüência nominal =NP número de pólos Nas figuras abaixo temos um do motor ac aberto, aonde se pode ver o rotor ,estator e a carcaça do motor. 87 6.5 TORQUE - ESCORREGAMENTO - VELOCIDADE Normalmente a rotação real do motor é ligeiramente menor que a rotação do campo. )1.(120. s p fnn −= rpmnn 873)03.01.(4 120.30 =−= onde s é a diferença de velocidade entre a rotação do campo e a rotação do rotor, isto é conhecido como escorregamento absoluto. nnnos −= rpm O escorregamento relativo é dado como um percentual de velocidade síncrona, normalmente entre 3 – 8%, este escorregamento é proporcional ao aumento de carga sobre o motor. .(%)100. no nno s n − = Exemplo: Motor de 4 pares de pólos ,eixo a vazio, em 60 Hz = 1800rpm Colocando carga nominal o escorregamento aumenta e a rotação fica em 1750rpm: Temos : Escorregamento absoluto = 1800-1750 = 50rpm Escorregamento relativo s= 50/1800 = 3% 6.6 PARTIDAS DE MOTORES O motor ac quando acionado por inversor de freqüência tem a sua vida útil aumentada, isto ocorre devido o inversor quando parte um motor limitar a corrente de partida do motor há um valor ajustado no parâmetro de corrente nominal, para que possamos ter uma idéia disto, vamos verificar o que ocorre com o motor ac quando há solicitação para que este saia da inércia e inicie seu trabalho,vejamos: durante o tempo de partida a corrente dos motores de indução atinge valores elevados, causando elevação na temperatura do motor. A carga é acelerada até atingir a rotação nominal do motor, ocorrendo então uma estabilização da corrente em um valor muito menor que na partida. Mas se antes de ocorrer essa estabilização, houver sucessivas partidas no motor, a elevação de temperatura resultante pode danificar ou reduzir a vida útil do motor, o inversor alem de limitar a corrente de partida também utiliza uma rampa de aceleração, mesmo que ela seja em um valor baixo,por ex.1segundo,terá assim mesmo executada uma rampa, se for possível à utilização de uma rampa de maior valor de tempo, será menor ainda a corrente imposta para que o motor saia da inércia e atingi a velocidade estabelecerá,desta forma com o uso do inversor de freqüência estamos contribuindo com o aumento de vida útil do motor.A norma NBR 7094 estabelece um regime de partida mínima que os motores devem suportar: 90 RETIFICADOR M CONTROLE CIRCUITO INTERMEDIÁRIO INVERSOR 1 2 4 3 Esquema simplificado do inversor de freqüência  O circuito retificador converte a tensão senoidal de entrada em tensão DC; nesta etapa temos 2 tipos possíveis: os retificadores controlados (SCR) e os não-controlados.  No circuito intermediário temos 3 tipos possíveis: ◊ primeiro tipo converte a tensão do retificador em uma corrente DC (CSI) ◊ segundo tipo transforma a corrente DC em uma tensão fixa (VSI) ◊ terceiro tipo transforma a corrente DC em uma tensão variável.(VVI)  Na terceira etapa temos a transformação de uma tensão DC em uma tensão AC variável, pulsada .(PWM).  O controle é o circuito eletrônico de onde enviamos os sinais de controle para os retificadores, o circuito intermediário e a inversora. As partes que serão controladas dependem da tecnologia utilizada no inversor; a freqüência de chaveamento está entre 300-16 KHZ. Para transistores NPN usa-se 1 kHz.Para MOS , 100kHz .Para IGBT 10kHz 91 6.9 CIRCUITO DE POTÊNCIA: U W V Pelo diagrama eletrônico podemos notar a simplicidade da etapa de potência. No diagrama abaixo temos as formas de onda com comutação continuada. ( t ) Vab i Vr Vl Este é o melhor método de controle de velocidade de motores de indução trifásica, com menores perdas no dispositivo responsável pela variação da velocidade. Podemos dizer que o conjugado é: 2IC m −Φ= e 1 1 f U m =Φ (Volts/Hertz ) onde: =Φm fluxo de magnetismo =2I corrente do rotor =1U tensão estatórica =1f freqüência da rede 92 =C conjugado do motor Pelo exposto pode-se dizer que mantemos o torque constante em diferentes velocidades, variando proporcionalmente 1 1 f U , o que mantém o fluxo mΦ constante. 6.10 CIRCUITO RL Como foi visto até agora, o inversor de freqüência indireto com circuito intermediário com tensão DC constante, é muito utilizado para variar e controlar a velocidade de motores de indução trifásicos com rotor do tipo gaiola. Dada sua enorme utilidade e ampla aplicação tornam-se necessário explicar mais detalhadamente o seu funcionamento.Considere um circuito RL alimentado por uma fonte CC, como mostrado abaixo; ao comutar a chave para a posição 1 ocorre uma circulação de corrente pelo circuito de tal modo que, após um certo tempo, chamado transitório, o indutor se apresentará como um curto circuito; neste caso o circuito estará em regime permanente. Durante o transitório o indutor irá carregar-se e, desta forma, haverá tensão sobre ele. Em qualquer instante a lei de Kirchoff para tensões deve valer, ou seja, o somatório das tensões numa malha deve ser nula. E a L R 1 2 VR Vl t t t t Vab (t) i (t) VR (t) Vl (t) A equação que rege o circuito com a chave 1 é: LR VVE += e t i d d LtiRE +−= )( Se isolarmos para uma solução de i , obtemos:       −= − t L R e R Eti . 1)( Em um circuito RL, a corrente pelo indutor não pode variar instantaneamente. Define-se a constante de tempo do circuito RL como sendo: 95 REGULADOR VELOCIDADE TRANSPORTE REGULADOR VELOCIDADE LIMITE DE CORRENTE LIMITE DE CORRENTE REGULADOR VELOCIDADE MISTURADOR, EXTRUSORA REGULADOR TORQUE REG. CORRENTE LINHAS DE PROCESSO REGULADOR VELOCIDADE REGULADOR TORQUE REG. CORRENTE LINHAS DE PROCESSO FLUX VECTOR V / Hz SENSOR LESS FIELD ORIENTED BANDA LARGA Vamos através da tabela acima, comentar um pouco mais sobre os inversores “Vector” ou Vetoriais, não importando a tecnologia, já que no modelo escalar é uma relação simples V/Hz.Os vetoriais podem ser explicados mais facilmente pelo diagrama abaixo: Z Z Z is id CA Iq id Iq CARGA 2 CARGA 1 is is onde: Iq = corrente produção torque Id = corrente produção fluxo Is = corrente totais do estator Como vimos, o vetorial nada mais é do que fasores da corrente. Reescrevendo o torque, temos: 96 T = K . id . Iq. Sen. (d) Definindo inversores vetoriais, pode-se dizer que são os inversores que utilizam a tecnologia capaz de controlar os termos de nossos fasores Iq, id e is.Já os escalares não permitem acesso a estes parâmetros,ou seja, trabalham com parâmetros fixos, pré-programados na CPU . (V/Hz) em curva pré-definida. O Inversor escalar é muito simples e prático , e portanto, seu preço é menor que um vetorial ,em geral, o Vetorial, além de ter mais sensores e mais software , precisa ter transistores com mais reserva de potência, para poder atender os picos instantâneos de torque,via de regra, os inversores escalares tem um fator de sobrecarga de 120 % por 1 minuto, sobrecarga de 150% durante 1 milisegundo (proteção instantânea), precisão de rotação da ordem de 95% ,o que é muito bom para muitas aplicações.Os vetoriais têm 200% de sobrecarga por 1 minuto, e 150% por 1 milisegundo , uma precisão na rotação do eixo de 99,9% com sensorless vector e de 99,999 % com encoder no eixo do motor.Devemos aplicar a tecnologia escalar nas seguintes condições, como uma base orientativa:  onde não precisamos de controle de velocidade com precisão maior que 95%  onde não precisamos de uma faixa/range maior que 20:1  onde não precisamos de controle de torque. Em relação à aplicação de inversores vetoriais, temos:  aplicação onde se necessita de baixíssimas rotações e elevados torques em  velocidade zero, ex. em um desfibrador o parafuso alimentador do disco.  aplicação com range de 100:1 ou mais;  aplicação onde se necessita de regulação precisa de velocidade: 0,01% e torque, por ex. em uma máquina formadora de colchão. Na figura abaixo colocamos um diagrama em blocos de um modelo vetorial, a tecnologia utilizada é o DTC neste exemplo, pode se observar que existe uma tecnologia eletrônica mais precisa. 97 Em resumo, um inversor de freqüência é uma soma de todas as tecnologias :  Circuitos elétricos envolvendo motores  Eletrônica de alta potência IGBT , MOS, etc,  Eletrônica Analógica, Amplificadores operacionais, ajuste de zero e span, etc..  Eletrônica Digital Gates, Flip-Flops , CPU ,memórias, etc..  Informática, envolvendo software , portas de comunicação serial,etc..  Instrumentação ,usando medidores de corrente ,sensores Hall,etc..  Automação , envolvendo sistemas sincronizados , PID ,etc... 6.12 CPU E SOFTWRAES Atualmente praticamente todos os inversores de freqüência , são microprocessados. Aliás, o primeiro inversor microprocessado produzido em larga escala foi o Inversor Hitachi HFC-VWE , seguido pelo HFC-VWS , por volta de 1990 ,em seguida , ele se tornou o inversor mais vendido do mundo (ver histórico anexo),a CPU de controle pode ser de 8 bits , 8K EPROM , e Clock de 4 MegaHertz, para Inversores simples, escalares.Para controle Vetorial, necessita uma CPU poderosa , pelo menos de 16 bits .Para Controle Vetorial com inteligência artificial (fuzzy-logic) , necessita uma CPU poderosa, praticamente similar a um micro Pentium . A Hitachi usa a CPU H32 ,fabricado por ela mesma (a Divisão de semicondutores fica na Alemanha),atualmente, várias outras marcas de Inversores estão usando essa CPU ,por exemplo A Warner Electric (USA) , a Danfoss , etc.. A CPU trabalha com um software operacional básico, gravado em memória fixa (EPROM) Esse tipo de software fixo, se chama Firmware , e não pode ser alterado . É equivalente ao sistema operacional de