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7 1 Terminologia 1.1 Introdução à Instrumentação Curso Básico de Instrumentação e Controle O presente material descreve, de forma sucinta, a definição clássica da instrumenta- ção envolvida no processo de transformação da matéria-prima em produto ou sub-produto e, em linhas gerais, aborda os conceitos que serão base para uma compreensão lata sobre a atividade. A intenção não é portanto, a de su- primir lacunas nas cátedras de Física, Quími- ca Geral ou Fenômeno dos Transportes, cujo universo de teorias e conceitos envolvidos transpõem os objetivos do curso. Todo processo de transformação do esta- do de determinadas substâncias (líquidas, ga- sosas, sólidas) participes de uma cadeia de processamento, para a composição de um pro- duto final, envolve, em síntese, certas opera- ções, que, em certos casos, necessitam serem controladas a fim de manter as grandezas en- volvidas (pressão, vazão, temperatura, etc), dentro de valores preestabelecido. A definição clássica de processo denota toda a operação de transformação de matéria- prima (no seu estado natural) em uma forma útil. Todo processo químico é formado por “um conjunto de operações unitárias interligadas entre si de acordo com uma seqüência lógi- ca”. Estabelecida no projeto básico de enge- nharia Um processo apresenta variáveis a serem controladas, que interferem direta ou indireta- mente no resultado da qualidade do produto ou subproduto. Os métodos de coleta de in- formações sobre as condições do processo di- ferem em muito dependendo do tipo de gran- deza que se quer inferir. Algumas informações (variáveis) podem ser coletadas através de métodos direto ou indireto. Para este último, em muitos casos, utilizamos a inferência. A instrumentação pode, então, ser defini- da como a ciência que aplica e desenvolve téc- nicas para medidas e controles em equipamen- tos e processos industriais. Tomando-se como exemplo o sistema de medição de energia elétrica encontrado em re- sidências, um instrumento que mede e regis- tra a energia elétrica consumida durante um dado período de tempo. Realizam-se aqui, três atividades distintas: 1. medição da energia elétrica consumi- da em cada instante; 2. soma das energias consumidas durante um certo período de tempo; 3. registro no totalizador do aparelho. Trata-se aqui simplesmente de um proces- so de medida, integração e registro de uma entidade física, energia elétrica consumida na residência. Dado um eletrodoméstico, ligado à rede pública através de um “regulador de tensão”. Este instrumento pretende, na medida do pos- sível, fornecer ao eletrodoméstico ligado a ele, uma tensão constante, para a qual ele é regula- do, conforme observado na ilustração a seguir. Apostilas Ideal
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2. Transmissao e Transmissores

Dec 04, 2015

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Page 1: 2. Transmissao e Transmissores

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1Terminologia1.1 Introdução à InstrumentaçãoCurso Básico de Instrumentação e Controle

O presente material descreve, de formasucinta, a definição clássica da instrumenta-ção envolvida no processo de transformaçãoda matéria-prima em produto ou sub-produtoe, em linhas gerais, aborda os conceitos queserão base para uma compreensão lata sobre aatividade. A intenção não é portanto, a de su-primir lacunas nas cátedras de Física, Quími-ca Geral ou Fenômeno dos Transportes, cujouniverso de teorias e conceitos envolvidostranspõem os objetivos do curso.

Todo processo de transformação do esta-do de determinadas substâncias (líquidas, ga-sosas, sólidas) participes de uma cadeia deprocessamento, para a composição de um pro-duto final, envolve, em síntese, certas opera-ções, que, em certos casos, necessitam seremcontroladas a fim de manter as grandezas en-volvidas (pressão, vazão, temperatura, etc),dentro de valores preestabelecido.

A definição clássica de processo denotatoda a operação de transformação de matéria-prima (no seu estado natural) em uma formaútil. Todo processo químico é formado por “umconjunto de operações unitárias interligadasentre si de acordo com uma seqüência lógi-ca”. Estabelecida no projeto básico de enge-nharia

Um processo apresenta variáveis a seremcontroladas, que interferem direta ou indireta-mente no resultado da qualidade do produtoou subproduto. Os métodos de coleta de in-formações sobre as condições do processo di-

ferem em muito dependendo do tipo de gran-deza que se quer inferir. Algumas informações(variáveis) podem ser coletadas através demétodos direto ou indireto. Para este último,em muitos casos, utilizamos a inferência.

A instrumentação pode, então, ser defini-da como a ciência que aplica e desenvolve téc-nicas para medidas e controles em equipamen-tos e processos industriais.

Tomando-se como exemplo o sistema demedição de energia elétrica encontrado em re-sidências, um instrumento que mede e regis-tra a energia elétrica consumida durante umdado período de tempo. Realizam-se aqui, trêsatividades distintas:

1. medição da energia elétrica consumi-da em cada instante;

2. soma das energias consumidas duranteum certo período de tempo;

3. registro no totalizador do aparelho.

Trata-se aqui simplesmente de um proces-so de medida, integração e registro de umaentidade física, energia elétrica consumida naresidência.

Dado um eletrodoméstico, ligado à redepública através de um “regulador de tensão”.Este instrumento pretende, na medida do pos-sível, fornecer ao eletrodoméstico ligado a ele,uma tensão constante, para a qual ele é regula-do, conforme observado na ilustração a seguir.

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O regulador de tensão recebe uma tensãoda rede, compara com a tensão para a qual foiajustado e atua sobre a tensão, conforme ne-cessário, para fornecer ao eletrodoméstico atensão predeterminada. Tem-se, aqui, uma ati-vidade de controle.

De uma maneira ampla, os dispositivosque realizam as tarefas de medição, registro econtrole são chamados de instrumentos, e aciência que os estuda é chamada de instrumen-tação.

Em linhas gerais e conclusivas, a “instru-mentação” é a ciência que aplica e desenvolvetécnicas para adequação de instrumentos demedição, transmissão, indicação, registro econtrole de variáveis físicas em equipamen-tos nos processos industriais.

Em indústrias, tais como siderúrgica, pe-troquímica, alimentícia, papel, entre outras, a

instrumentação é responsável pelo rendimen-to máximo de um processo, pois, faz com quetoda energia cedida seja transformada em tra-balho na elaboração do produto desejado. Noprocesso, as principais grandezas que tradu-zem transferências de energia, denominadasvariáveis de um processo, são: pressão, nível,vazão, temperatura.

A seguir serão abordadas as várias técni-cas de medição e tratamento destas grandezas.

1.2 Por que automatizarA utilização de instrumentos para contro-

le automático de processo nos permite,incrementar e controlar a qualidade do produ-to, aumentar a produção e rendimento, obter efornecer dados seguros da matéria-prima e daquantidade produzida, além de ter em mãosdados relativos à economia dos processos.

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Com o surgimento da máquina a vapor nofim do século passado, o homem viu-se obri-gado a desenvolver técnicas de medição. Des-ta forma, surgem instrumentos para indicar avariável em questão, a pressão. A grande de-manda de indicadores de pressão surgiu na áreade fornos e caldeiras, resultando em uma gran-de redução do número de acidentes e ocorrên-cias de explosões nestes equipamentos.

No final dos anos trinta, começaram a sur-gir os primeiros instrumentos de controle au-tomático.

Com o surgimento da eletrônica dos se-micondutores no início dos anos 50, surgiramos instrumentos eletrônicos analógicos, egradativamente, a partir desta data, os instru-mentos pneumáticos foram substituídos pelos

eletrônicos, em processos onde não existia ris-co de explosão.

Na atualidade, os industriais estão cadavez mais optando por automatizar as suas uni-dades/plantas, adquirindo sistemas eletrônicosmicroprocessador, tais como transmissoresinteligentes controladores, Multi.Loop, contro-ladores lógicos programáveis (CLP), SistemasDigitais de Controle Distribuído, SistemasFieldbus.

Já são encontrados, no mercado nacional,instrumentos com tecnologia consagrada (se-gurança intrínseca) capaz de fornecer uma altaperformance operacional aliada à otimizaçãode processos industriais. A seguir pode-se per-ceber este grau de integração.

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1.3 Terminologia e SimbologiaAs definições a seguir são conhecidas por

todos que intervêm, diretamente ou indireta-mente, no campo da instrumentação industrial,e têm como objetivo a promoção de uma mes-ma linguagem técnica.

RANGE (Faixa de medida): Conjunto devalores da variável analisada, compreendidodentro do limite inferior e superior da capaci-dade de medida ou de transmissão do instru-mento. É expresso determinando-se os valo-res extremos.

Exemplo:

100 ~ 500°C; 0 ~ 20 psi; –30 ~ 30 mmca.

SPAN (Alcance): É a diferença algébricaentre o valor superior e inferior da faixa demedida do instrumento. Exemplo:

Um instrumento com range de 100 a 250°C,possui Span = 150°C

ERRO: Diferença entre o valor lido outransmitido pelo instrumento, em relação realda variável medida. Se o processo ocorrer emregime permanente (que não varia ao longodo tempo), será chamado de Erro Estático, epoderá ser positivo ou negativo, dependendoda indicação do instrumento. Quando a variá-vel altera-se, tem-se um atraso na transferên-cia de energia do meio para o medidor, ou seja,o valor medido estará geralmente atrasado emrelação ao valor real da variável. Esta diferen-ça é chamada de Erro Dinâmico.

PRECISÃO: Definida como o maior va-lor de erro estático que um instrumento possater ao longo de sua faixa de trabalho. É possí-vel expressá-la de diversas maneiras:

a) Em porcentagem do alcance (span).Ex.: Um instrumento com range de 50a 150°C está indicando 80°C e sua pre-cisão é de ± 0,5% do span.

80°C ± (0,5 / 100) x 100°C = 80°C ± 0,5°C

Portanto, a temperatura estará entre 79,5e 80,5°C.

b) Em unidade da variável.Exemplo:

Precisão de ± 2°C

c) Em porcentagem do valor medido (paramaioria dos indicadores de campo).Ex.: Um instrumento com range de 50a 150°C está indicando 80°C e sua pre-cisão é de ± 0,5% do valor medido.

80°C ± (0,5 / 100 x 80°C) = 80°C ± 0,4°C

Portanto, a temperatura estará entre 79,6e 80,4°C.

Pode-se ter a precisão variando ao longoda escala de um instrumento, indicada pelo fa-bricante, então, em algumas faixas da escalado instrumento.

Exemplo:

Um manômetro pode ter uma precisão de±1% em todo seu range e ter na faixa cen-tral uma precisão de ± 0,5% do span.

d) Em % do fundo de escala ou Span má-ximo:

80ºC ± (0,5 / 100) x 150ºC = 80ºC ± 0,75ºC

Observação: Quando o sistema de medi-ção é composto de diversos equipamentos, ad-mite-se que a precisão total da malha seja igualà raiz quadrada da soma dos quadrados dasprecisões de cada equipamento.

Exemplo: Uma malha de instrumentaçãoé constituída pelos seguintes instrumentos:

– Termopar, com precisão de ± 0,5% dovalor medido. Valor medido = 400°C(± 2°C).

– Fio de Extensão, com precisão de ±1°C.– Registrador, com escala de 0 a 800°C e

precisão de ± 0,25%, portanto ± 2°C.Precisão total da malha =

2 2 2 o2 1 2 9 3 C+ + = = ±

Zona Morta – É o maior valor de varia-ção que o parâmetro medido possa alcançar,sem que provoque alteração na indicação ousinal de saída de um instrumento (pode ser apli-cado para faixa de valores absolutos do “ran-ge” do mesmo). Está relacionada a folgas en-tre os elementos móveis do instrumento, comoengrenagens.

Exemplo: Um instrumento com “range”de 0 a 200°C possui uma zona morta de ± 0,1%do span.

± 0,1% = (0,1 / 100 x 200) = ± 0,2°C

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Portanto, se a variável alterar em 0,2°C, oinstrumento não apresentará resposta nenhuma.

Sensibilidade: É a razão entre a variaçãodo valor indicado ou transmitido por um ins-trumento e a da variável que o acionou, apóster alcançado o estado de repouso. Denota acapacidade de resolução do dispositivo.

Exemplo: Um termômetro de vidro com“range” de 0 a 500°C, possui uma escala deleitura de 50 cm.

Sensibilidade = (50 / 500 cm)/°C = 0,1cm/°C

Histerese: É a diferença máxima apresen-tada por um instrumento, para um mesmo va-lor, em qualquer ponto da faixa de trabalho,quando a variável percorre toda a escala nossentidos ascendente e descendente ou é o des-vio porcentual máximo com o qual, para umamesma variável (por exemplo vazão), uma in-dicação do valor instantâneo afasta-se do ou-tro, dependendo de ter sido alcançado a partirde valores maiores ou menores.

Exemplo: Num instrumento com “range”de 0 a 200°C mostrado na Figura seguinte, ahisterese é de 0,2%.

Conformidade: É o desvio percentual má-ximo com o qual uma determinada variável seafasta da sua curva característica.

Reprodutibilidade: É a máxima diferen-ça encontrada ao se aplicar um valor conheci-do diversas vezes, em um dispositivo eletrô-nico pneumático ou mecânico.

Repetibilidade: É o desvio porcentualmáximo com o qual uma mesma medição éindicada, tomando-se todas as condições comoexatamente reproduzidas de uma medida paraoutra. Expressa-se em porcentagem do span.Um instrumento com “range” de 0 a 1000 L/min, ± 0,1% do span (o que corresponde a ± 1L/min), se a vazão real na primeira passagemascendente for 750 L/min e o instrumento in-dicar 742 L/min, numa segunda passagem as-cendente com vazão real de 750 L/min o ins-trumento indicará 742 ± 1 L/min. Observar queo termo Repetibilidade não inclui a Histerese.

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2Simbologia deInstrumentação

Com o objetivo de simplificar e globalizaro entendimento dos documentos utilizadospara representar as configurações das malhasde instrumentação, normas foram criadas emdiversos países.

No Brasil a Associação Brasileira de Nor-mas Técnicas (ABNT), através de sua normaNBR 8190, apresenta e sugere o uso de sím-bolos gráficos para representação dos diver-sos instrumentos e suas funções ocupadas nasmalhas de instrumentação. No entanto, comoé dada a liberdade para cada empresa estabe-lecer/escolher a norma a ser seguida na elabo-ração dos seus diversos documentos de proje-to de instrumentação, outras são utilizadas.Assim, devido a sua maior abrangência e atuali-zação, uma das normas mais utilizadas em pro-jetos industrias no Brasil é a estabelecida pelaISA (Instrument Society of America).

A seguir serão apresentadas, de forma re-sumida, as normas ABNT e ISA que serão uti-lizadas ao longo dos trabalhos de instrumen-tação.

2.1 Simbologia Conforme Norma ABNT(NBR-8190)2.1.1 Tipos de conexões

1. Conexão do processo, ligação mecâni-ca ou suprimento ao instrumento.

2. Sinal pneumático ou sinal indefinidopara diagramas de processo.

3. Sinal elétrico.

4. Tubo capilar (sistema cheio).

5. Sinal hidráulico.

6. Sinal eletromagnético ou sônico (semfios).

2.1.2 Código de Identificação de InstrumentosCada instrumento deve ser identificado

com um sistema de letras que o classifiquefuncionalmente (Ver Tabela 1 a seguir).

Como exemplo, uma identificação repre-sentativa é a seguinte:

T RC1ª letra Letras sucessivas

Identificação Funcional

2 ANº da cadeia Sufixo (normalmente não é utilizado)

Identificação da Cadeia

Observação:Os números entre parênteses referem-se

às notas relativas dadas a seguir.

Notas Relativas1. As letras “indefinidas” são próprias

para indicação de variáveis não listadasque podem ser repetidas em um proje-to particular. Se usada, a letra deveráter um significado como “primeira-le-tra” e outro significado como “letra-subseqüente”. O significado precisaráser definido somente uma vez, em umalegenda, para aquele respectivo projeto.

2. A letra “não-classificada”, X, é própriapara indicar variáveis que serão usadasuma vez, ou de uso limitado.

3. Qualquer primeira-letra, se usada emcombinação com as letras modificado-ras D (diferencial), F (razão) ou Q(totalização ou integração), ou qualquercombinação será tratada como umaentidade “primeira letra”.

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Tabela 1 – Significado das letras de identificação

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

L

M

N(1)

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X (2)

Y

Z

Variável Medida ou inicial (3)

Analisador (4)

Chama de queimador

Condutividade elétrica

Densidade ou massa específica

Tensão elétrica

Vazão

Medida dimensional

Comando Manual

Corrente elétrica

Potência

Nível

Umidade

Indefinida

Indefinida (1)

Pressão ou vácuo

Quantidade ou evento

Radioatividade

Velocidade ou freqüência

Temperatura

Multivariável (5)

Viscosidade

Peso ou força

Não classificada

Indefinida (1)

Posição

Modificadora

Diferencial (3)

Razão (fração) (3)

–––

Varredura ouSeletor (6)

Integrador outotalizador (3)

Segurança (7)

Função de informaçãoou passiva

Alarme

Indefinida

Elemento primário

Visor (8)

Indicador (9)

LâmpadaPiloto (10)

Indefinida (1)

Orifício de restrição

Ponto de teste

Registrador ou impressor

* Multifunção (11)

Poço

Não classificada

Função final

Indefinida (1)

Controlador (12)

Indefinida (1)

Chave (12)

Transmissor

* Multifunção (11)

Válvula (12)

––

Não classificada

Relé ou computação(11, 13)

Elemento final decontrole não classificado

Modificadora

Indefinida (1)

Alto (6, 14, 15)

Baixo (6, 14, 15)

Médio ou intermediário(6, 14)

Indefinida (1)

* Multifunção (11)

––

Não classificada

PRIMEIRA LETRA LETRAS SUBSEQUENTES

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4. A “primeira-letra” A, para análise, co-bre todas as análises não listadas nodiagrama e não cobertas pelas letras“indefinidas”. Cada tipo de análise de-verá ser definido fora do seu círculo deindefinição no fluxograma. Símbolostradicionalmente conhecidos, comopH, O2, e CO, têm sido usados opcio-nalmente em lugar da “primeira-letra”A. Esta prática pode causar confusãoparticularmente quando as designaçõessão datilografadas por máquinas queusam somente letras maiúsculas.

5. O uso da “primeira-letra” U para mul-tivariáveis em lugar de uma combina-ção de “primeira-letra” é opcional.

6. O uso dos termos modificadores alto,baixo, médio ou intermediário e varre-dura ou seleção é preferido, porémopcional.

7. O termo “segurança” será aplicado so-mente para elementos primários de pro-teção de emergência e elementos finaisde controle de proteção de emergência.Então, uma válvula auto-operada queprevine a operação de um sistema aci-ma da pressão desejada, aliviando apressão do sistema, será uma PCV (vál-vula controladora de pressão), mesmoque a válvula não opere continuamen-te. Entretanto esta válvula será umaPSV (válvula de segurança de pressão)se seu uso for para proteger o sistemacontra condições de emergência, isto é,condições que colocam em risco o pes-soal e o equipamento, ou ambos e quenão se esperam acontecer normalmen-te. A designação PSV aplica-se paratodas as válvulas que são utilizadas paraproteger contra condições de emergên-cia em termos de pressão, não impor-tando se a construção e o modo de ope-ração da válvula enquadram-se comoválvula de segurança, válvula de alívioou válvula de segurança e alívio.

8. A função passiva “visor” aplica-se ainstrumentos que dão uma visão diretae não calibrada do processo.

9. O termo “indicador” é aplicável so-mente quando houver medição de umavariável e disponibilização da grande-za para o operador.

10. Uma “lâmpada-piloto”, que é a partede uma malha de instrumentos, deve serdesignada por uma “primeira-letra”

seguida pela “letra subseqüente”. En-tretanto, se é desejado identificar uma“lâmpada-piloto” que não é parte deuma malha de instrumentos, a “lâmpa-da-piloto” pode ser designada da mes-ma maneira ou alternadamente por umasimples letra L. Por exemplo: a lâmpa-da que indica a operação de um motorelétrico pode ser designada com EL,assumindo que a tensão é a variávelmedida ou XL assumindo que a lâm-pada é atuada por contatos elétricosauxiliares do sistema de partida domotor, ou ainda simplesmente L. Aação de uma “lâmpada-piloto” pode seracompanhada por um sinal audível.

11. O uso da “letra-subseqüente” U para“multifunção” em lugar de uma com-binação de outras letras funcionais éopcional.

12. Um dispositivo que conecta, desconec-ta ou transfere um ou mais círculospode ser, dependendo das aplicações,uma “chave”, um “relé”, um “contro-lador de duas posições” ou uma “vál-vula de controle”. Se o dispositivomanipula uma corrente fluida de pro-cesso e não é uma válvula de bloqueiocomum acionada manualmente, deveser designada como uma “válvula decontrole”. Para todas as outras aplica-ções, o equipamento é designado como:a) uma “chave”, quando é atuado

manualmente;b) uma “chave” ou um “controlador de

duas posições”, se é automático ese é acionado pela variável medida.O termo “chave” é geralmente atri-buído ao dispositivo que é usado paraativar um circuito de alarme,“lâmpada piloto”, seleção, inter-travamento ou segurança. O termo“controlador” é, geralmente, atri-buído ao equipamento que é usadopara operação de controle normal;

c) um “relé”, quando automático, éacionado pela variável medida, istoé, por uma “chave” ou por um “con-trolador de duas posições”.

13. Sempre que necessário, as funções as-sociadas como o uso da “letra-subse-qüente” Y devem ser definidas fora docírculo de identificação. Não é neces-sário este procedimento quando a função

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é por si só evidente, tal como no casode uma válvula solenóide.

14. O uso dos termos modificadores “alto”,“baixo”, “médio” ou “intermediário”deve corresponder a valores das variá-veis medidas e não dos sinais, a menosque de outra maneira seja especifica-do. Por exemplo: um alarme de nívelalto derivado de um transmissor de ní-vel de ação reversa é um LAH (alarmede nível alto), embora o alarme seja atua-do quando o sinal alcança um determi-nado valor baixo. Os termos podem serusados em combinações apropriadas.

15. Os termos “alto” e “baixo”, quandoaplicados para designar a posição deválvulas, são definidos como:alto– denota que a válvula está em ou

aproxima-se da posição totalmenteaberta;

baixo– denota que a válvula está em ou

aproxima-se da posição totalmentefechada.

2.1.3 Simbologia de identificação de instrumentosde Campo e Painel

Instrumentação de Vazão

Válvula de Controle

2.1.4 Alguns Arranjos Típicos de InstrumentosVazão

Pressão

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Temperatura

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2.2 Simbologia Conforme Norma ISA(Institute of Standard American)2.2.1 FinalidadesInformações Gerais

As necessidades de procedimentos de vá-rios usuários são diferentes. A norma reconhe-ce essas necessidades quando estão de acordocom os objetivos e fornece métodos alternati-vos de simbolismo. Vários exemplos são in-dicados para adicionar informações ou simpli-ficar o simbolismo.

Os símbolos dos equipamentos de proces-so não fazem parte desta norma, porém sãoincluídos apenas para ilustrar as aplicações dossímbolos da instrumentação.

2.2.2 Aplicação na IndústriaA norma é adequada para uso em indús-

trias químicas, de petróleo, de geração de ener-gia, refrigeração, mineração, refinação de me-tal, papel e celulose, entre outras. Algumasáreas, tais como astronomia, navegação e me-dicina usam instrumentos tão especializadosque são diferentes dos convencionais. Não

houve esforços para que a norma atendesse àsnecessidades destas áreas. Entretanto, espera-se que a mesma seja flexível suficientementepara resolver grande parte desse problema.

2.3 Aplicação nas atividades de trabalhoA norma é adequada quando refere-se a

um instrumento ou a uma função de um siste-ma de controle, com o objetivo de simboliza-ção de identificação.

Tais referências podem ser aplicadas, porexemplo, para os seguintes fins:

– projetos;– exemplos didáticos;– material técnico – papéis, literatura e

discussões;– diagramas de sistema de instrumenta-

ção, diagramas de malha, diagramaslógicos;

– descrições funcionais;– diagrama de fluxo: processo, mecâni-

co, engenharia, sistemas, tubulações edesenhos/projetos de construção de ins-trumentação;

– especificações, ordens de compra, ma-nifestações e outras listas;

– identificação de instrumentos (nomes)e funções de controle;

– instalação, instruções de operação emanutenção, desenhos e registros.

A norma destina-se a fornecer informaçõessuficientes a fim de permitir que qualquer pes-soa, que possua um certo conhecimento doassunto ao revisar qualquer documento sobremedição e controle de processo, possa enten-der as maneiras de medir e controlar o proces-so. Não constitui pré-requisito para este en-tendimento um conhecimento profundo/deta-lhado de um especialista em instrumentação.

2.4 Aplicação para Classes e Funções deInstrumentos

As simbologias e o método de identifica-ção desta norma são aplicáveis para toda clas-se de processo de medição e instrumentaçãode controle. Podem ser utilizados, não somen-te para identificar instrumentos discretos e suasfunções específicas, mas também para identi-ficar funções analógicas de sistemas que sãodenominados de várias formas como “SharedDisplay”, “Shared Control”, “DistribuidControl” e “Computer Control”.

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2.5 Conteúdo da Identificação da FunçãoA norma é composta de uma chave de fun-

ções de instrumentos para sua identificação esimbolização. Detalhes adicionais dos instru-mentos são melhor descritos em uma especi-ficação apropriada, folha de dados, manual dofabricante, etc.

2.6 Conteúdo de Identificação da MalhaA norma abrange a identificação de um ins-

trumento e todos outros instrumentos ou funçõesde controle associados à presente malha. O uso élivre para aplicação de identificações adicionais,tais como número de serie, número da unidade,número da área, ou outros significados.

Tabela 2 – Identification Letters

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

O

P

Q

R

S

T

U

V

W

X

Y

Z

Measured or initiating variable

Analysis (5,19)

Burner, Combustion

User’s Choice (1)

User’s Choice (1)

Voltage

Flow Rate

User’s Choice (1)

Comando Manual

Corrent (Electrical)

Power

Time, Time Schedule

Level

User’s Choice (1)

User’s Choice (1)

User’s Choice (1)

Pressure, Vaccum

Quantity

Radiotion

Speed, Frequency

Temperature

Multivariable (6)

Vibration, MechanicalAnalysis (19)

Weight, Force

Unclassified (2)

Event, State or Presence (20)

Position, Dimension

Modifier

Diferential (4)

Ratio (Francion) (4)

Scan (7)

Time Rate of Change (4, 21)

Momentary (4)

Integrate, Totalize (4)

Safety (8)

X Axis

Y Axis

Z Axis

Readout or passivefuncition

Alarm

User’s Choice (1)

Sensor (Primary Element)

Glass, Viewing Device (9)

Indicate (10)

Light (11)

User’s Choice (1)

Orifice, Restriction

Point (Test)Connecion

Recorder (17)

Multifunction (12)

Well

Unclassified (2)

Outiput function

User’s Choice (1)

Control (13)

Control Station (22)

User’s Choice (1)

Switch (13)

Transmit (18)

Multifunction (12)

Válve, Damper, Louver(13)

Unclassified (2)

Relay, Compute, Convert(13, 14, 18)

Driver, Actuator,Unclassified FinalControl Element

Modifier

User’s Choice (1)

High (7, 15, 16)

Low (7, 15, 16)

Middle, Intermediate(7, 15)

User’s Choice (1)

Multifunction (12)

Unclassified (2)

FIRST-LETTER (4) SECCENDING-LETTERS (3)

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2.7 Símbolos de Linha de InstrumentosTodas as linhas são apropriadas em rela-

ção às linhas do processo de tubulação:(1) alimentação do instrumento * ou cone-

xão ao processo

(2) sinal indefinido

(3) sinal pneumático **

(4) sinal elétrico

(5) sinal hidráulico

(6) tubo capilar

(7) sinal sônico ou eletromagnético (guia-do) ***

(8) sinal sônico ou eletromagnético (nãoguiado) ***

(9) conexão interna do sistema (“software”ou “data link”)

(10) conexão mecânica

opções

2.7.1 Símbolos opcionais binários (ON – OFF)(11) sinal binário pneumático

(12) sinal binário elétrico

* Sugerem-se as seguintes abreviaturaspara denotar os tipos de alimentação.AS – suprimento de ar

IA – ar do instrumentoPA – ar da planta

ES – alimentação elétrica

GS – alimentação de gás

HS – suprimento hidráulico

NS – suprimento de nitrogênio

SS – suprimento de vapor

WS – suprimento de água

Estas designações podem ser também apli-cadas para suprimento de fluidos.

O valor do suprimento pode ser adiciona-do à linha de suprimento do instrumento;exemplo: AS-100, suprimento de ar 100-psi;ES-24DC; alimentação elétrica de 24VDC.** O símbolo do sinal pneumático destina-

se à utilização de sinal, usando qualquergás.

*** Fenômeno eletromagnético inclui calor,ondas de rádio, radiação nuclear e luz.

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Page 14: 2. Transmissao e Transmissores

* O tamanho do símbolo pode variar deacordo com a necessidade do usuário edo tipo do documento. Foi sugerido nodiagrama de malha um tamanho de qua-drado e círculo para diafragmas grandes.Recomenda-se coerência.

** As abreviaturas da escolha do usuário,tais como IP1 (painel do instrumentonº 1), IC2 (console do instrumentonº 2), CC3 (console do computador

2.8 Símbolos gerais de instrumentos ou de funções

nº 3), podem ser usadas quando for ne-cessário especificar a localização do ins-trumento ou da função.

*** Normalmente, os dispositivos de funçõesinacessíveis ou que se encontram na par-te traseira do painel podem ser demons-trados através dos mesmos símbolos po-rém, com linhas horizontais usando-se ospontilhados.

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Page 15: 2. Transmissao e Transmissores

Exemplo:

**** Não é obrigado a mostrar um aloja-mento comum.

***** O desenho (losango) apresenta meta-de do tamanho de um losango grande.

****** Veja ANSI/ISA padrão S5.2 para sím-bolos lógicos específicos.

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Page 16: 2. Transmissao e Transmissores

3Elementos de umaMalha de Controle

3.1 Variáveis de processoGeralmente, existem várias condições in-

ternas e externas que afetam o desempenho deum processo. Estas condições são denomina-das de variáveis de processo são elas: tempe-ratura, pressão, nível, vazão, volume, etc. Oprocesso pode ser controlado medindo-se avariável que representa o estado desejado eajustando automaticamente as demais, de ma-neira a se conseguir um valor desejado para avariável controlada. As condições ambientesdevem sempre ser incluídas na relação de va-riáveis do processo.

3.1.1 Variável controladaÉ também denominada variável de pro-

cesso (PV). Indica mais diretamente a formaou o estado desejado do produto. Considere-se, por exemplo, o sistema de aquecimento deágua mostrado na Figura a seguir. A finalida-de do sistema é fornecer uma determinada va-zão de água aquecida. A variável mais indica-tiva deste objetivo é a temperatura da água desaída do aquecedor, que deve ser então a variá-vel controlada.

3.1.2 Meio controladoÉ a energia ou material no qual a variável

é controlada. No processo anterior, o meiocontrolado é água na saída do processo, e avariável controlada, temperatura, representauma característica d'água.

PLC

3.1.3 Variável manipuladaÉ aquela sobre a qual o controlador atua,

no sentido de mantê-la no valor desejado. Avariável manipulada pode ser qualquer variá-vel que cause uma variação rápida na variávelcontrolada do processo.

Processo industrial.

3.1.4 Agente de controleÉ a energia ou material do processo, en-

quanto a variável manipulada corresponde auma condição ou característica. No processoacima, o agente de controle é o vapor, pois avariável manipulada é a vazão do vapor.

Conforme observado, na figura anterior,as principais variáveis de processo são:

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Page 17: 2. Transmissao e Transmissores

23

– variável controlada: temperatura daágua;

– meio controlado: água na saída do pro-cesso;

– variável manipulada: vazão de vapor;– agente de controle: vapor.

3.2 Malha de controleQuando se fala em regulação (ou contro-

le), deve-se necessariamente subentender umamedição (de uma variável qualquer do proces-so), isto é, a informação que o regulador rece-be. Recebida esta informação, o sistema regu-lador compara com um valor preestabelecido(chamado SET POINT), verifica-se a diferen-ça entre ambos, age-se de maneira a diminuira seqüência de operações: medir a variável –atuar no sistema de modo a minimizar a dife-rença entre a medida e o set point –, denomi-nando-se malha de controle. Uma malha decontrole pode ser aberta ou fechada.

3.2.1 Malha abertaNa malha aberta, a informação sobre a

variável controlada não é usada para ajustarqualquer entrada do sistema.

Exemplo: A informação acerca da tempe-ratura do líquido de saída, não afeta o controleda entrada de vapor para o sistema, conformemostrado na Figura a seguir.

3.2.2 Malha fechadaPor outro lado, na malha fechada, a in-

formação sobre a variável controlada, com arespectiva comparação com o valor desejado,é usada para manipular uma ou mais variáveisdo processo.

Regulação do processo.

Na Figura anterior, a informação acercada temperatura do líquido de saída, vai acar-retar uma regulação de uma variável do pro-cesso, no caso, da entrada de vapor. Caso atemperatura do líquido esteja baixa, abre-semais a válvula, deixando entrar mais vaporpara aquecer o líquido. E se, ao contrário, o

líquido estiver muito quente (temperatura aci-ma do valor pré-fixado), a válvula é fechadamais um pouco, impedindo a entrada de va-por, esfriando o líquido.

Nos sistemas de malha fechada, o contro-le de processo pode ser efetuado e compensa-do antes e depois de afetar a variável controla-da. Isto pode ser demonstrado supondo-se queno exemplo anterior a variável controlada sejaa temperatura de saída do líquido. Caso a tem-peratura do líquido seja controlada, como nocaso da figura anterior, após o sistema ter afe-tado a variável, afirma-se que o controle é dotipo FEED-BACK, ou realimentado.

Malha de controle.

De um modo geral, os elementos de con-trole são divididos em dois grupos conformemostrado na próxima Figura.

Dispositivos de campo:a) elementos primários: são dispositivos

com os quais são detectadas alteraçõesna variável de processo.

b) transmissor: instrumento que medeuma determinada variável e a envia adistância para um instrumento recep-tor, normalmente localizado no painel.O elemento primário pode ser ou nãoparte integrante do transmissor.

c) elemento final de controle (E.F.C.):dispositivo que atua e modifica direta-mente o valor da variável manipuladade uma malha de controle.

Localização dos instrumentos.

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Page 18: 2. Transmissao e Transmissores

Distribuido: Descentralização dos da-dos, do processamento e das decisões(estações remotas). Além de ofereceruma IHM (interface-homem-máquina)de grande resolução, permite interfacea-mento com CLP (Controlador LógicoProgramável), equipamentos inteligen-tes (Comunicação Digital – HART) esistemas em rede.

Dispositivos de painel:a) indicador: instrumento que nos forne-

ce uma indicação visual da situação dasvariáveis no processo. Um indicadorpode-se apresentar na forma analógicaou digital.

b) registrador: instrumento que registraa variável através do traço contínuo,pontos de um gráfico, etc.

c) conversor: instrumento que recebeuma informação como um sinal elétri-co ou pneumático, altera a forma destee o emite como um sinal de saída. Oconversor é também conhecido comotransdutor. Todavia, o transdutor é umtermo genérico cujo emprego específi-co para a conversão de sinal não é re-comendado.

d) controlador: instrumento provido deuma saída de sinal para o processo, como objetivo de manter a variável de pro-cesso (pressão, temperatura, vazão, ní-vel, etc.) dentro do set point.

Os controladores podem ser divididos em:– analógico: possui construção de tecno-

logia pneumática ou eletrônica.– digital: possui construção de tecnolo-

gia digital, podendo ser do tipo single-loop ou multi-loop.

– single-loop: entende-se por single-loopum controlador, coordenando apenasuma malha de determinada variável(pressão, temperatura, nível, vazão,etc.).

– multi-loop: entende-se como um con-trolador, que atua sobre diversas variá-veis. Isto significa que com apenas umcontrolador é possível controlar, simul-taneamente, uma malha de pressão,uma malha de temperatura, uma malhade pH, etc.

e) SDCD (Sistema Digital de ControleDistribuído):

Sistema: Conjunto integrado de dispo-sitivos que se completam no cumpri-mento das suas funções.

Digital: Utilizando técnicas de proces-samento digital (discreto) em contra-posição ao análogo (contínuo).

De Controle: Com vistas a manter ocomportamento de um dado processodentro do pré-estabelecido.

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Page 19: 2. Transmissao e Transmissores

4Mediçãode Pressão

4.1 IntroduçãoO presente capítulo tem por objetivo, con-

ceituar pressão, uma das variáveis importan-tes presentes na indústria, e compreender osfenômenos relacionados a esta grandeza.

Na indústria, a variável pressão é uma dasgrandezas físicas constantemente inferidascomo forma de monitorar ou controlar diretaou indiretamente a forma ou estado de um pro-duto ou material.

Partindo-se do pressuposto que: “não sepode controlar o que não se mede”, com tomóbvio, é possível extrair a verdade da base docontrole automático de processo.

Na atualidade, o mercado tem disponibi-lizado diversas tecnologias na área de teleme-tria, estas por sua vez oferecem uma maiorperformance na medição, como precisão, exa-tidão e resolução.

PressãoA medição de pressão é o mais importantepadrão de medida, uma vez que as medidasde vazão, nível e outras podem ser feitas uti-lizando-se os mesmos princípios.

A pressão é definida como uma força atuan-do em uma unidade de área.

4.2 Peso EspecíficoRelação entre o peso e o volume de uma

determinada substância. É representado pelaletra gama (γ) e apresentada como unidade usualkgf/m3.

4.3 Gravidade EspecíficaRelação entre a massa de uma substância

e a massa de um mesmo volume de água,ambas tomadas à mesma temperatura.

4.4 Princípios, leis e teoremas da físicautilizados na medição de pressão4.4.1 Lei da Conservação de energia (Teoremade Bernoulli)

Teorema estabelecido por Bernoulli em1738. Relaciona as energias potenciais e ciné-ticas de um fluido ideal, ou seja, sem viscosi-dade e incompressível. Através deste teorema,pode-se concluir que, para um fluido perfeito,toda forma de energia pode ser transformadaem outra, permanecendo constante sua soma-tória ao longo de uma linha de corrente. As-sim sua equação representativa é:

2 21 11 22 21 1 2 2P . V . g . h P . V g . h cte+ ρ + ρ = + ρ + ρ =

Esta equação pode ser simplificada emfunção das seguintes situações:

a) Se a corrente for constante na direçãohorizontal, tem-se que:

2 21 11 22 21 2P . V P . V cte+ ρ = + ρ =

b) Se a velocidade é nula e, assim, o flui-do encontra-se em repouso, tem-se:

1 1 2 2P gh P gh cte+ ρ = + ρ =

4.4.2 Teorema de StevinEste teorema foi estabelecido por Stevin

e relaciona as pressões estáticas exercidas porum fluido em repouso com a altura da colunado mesmo em um determinado reservatório.

Seu enunciado prevê que:

“A diferença de pressão entre dois pontosde um fluido em repouso é igual ao produtodo peso específico do fluido pela diferença decota entre os dois pontos”.

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Page 20: 2. Transmissao e Transmissores

P2 – P1 = ∆P = (h2 – h1) . γ

Observação:1. Este teorema só é válido para fluidos em repouso.

2. A diferença de cotas entre dois pontos deve ser feita na vertical.

4.4.3 Princípio de PascalA pressão exercida em qualquer ponto de um líquido em forma estática, transmite-se inte-

gralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais.Devido aos fluidos serem praticamente incompressíveis, a força mecânica desenvolvida em

um fluido sob pressão pode ser transmitida.

Se uma força F1 = 10 kgf for aplicada so-bre o pistão 1, o pistão 2 levantará um peso de50 kgf devido ao fato do mesmo ter uma área5 vezes maior que a área do pistão 1.

1 21 2

1 2

F FP e PA A

= = como P1 = P2 ∴

1 2

1 2

F FA A

=

Outra relação:O volume deslocado será o mesmo.V1 = A1 x h1 V2 = A2 x h2 →

A1 x h1 = A2h2

Exemplo:Sabendo-se que F1 = 20 kgf, A1 = 100 cm2

e A2 10 cm2, é possível calcular F2.

21 2 2

2 1 21 2 1

F F A 20 x 10 kgf x cmF F xA A A 100 cm

= ∴ = = ∴

F2 = 2 kgf

4.4.4 Equação ManométricaEsta equação relaciona as pressões apli-

cadas nos ramos de uma coluna de medição ea altura de coluna do líquido deslocado. Aequação apresenta-se como a expressão mate-mática resultante dessa relação.

1 1 2 2P (h . ) P (h . )+ γ = + γ ∴

1 2 2 1P P . (h h )− = γ −

4.5 Definição de PressãoPode ser definida como a relação entre

uma força aplicada perpendicularmente (90°)a uma área, conforme demonstrado na figuraseguinte, e é expressa pela equação:

F ForçaPA Área

= =

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Page 21: 2. Transmissao e Transmissores

27

Exemplo de aplicação de uma força em uma superfície(10 kgf/cm2).

A pressão pode ser também expressa comoa somatória da pressão estática e pressão di-nâmica e, assim, chamada de pressão total.

4.5.1 Pressão EstáticaÉ a pressão exercida em um ponto, em flui-

dos estáticos, e transmitida integralmente emtodas as direções, de modo a produzir a mes-ma força em áreas iguais.

4.5.2 Pressão DinâmicaÉ a pressão exercida por um fluido em

movimento paralelo à sua corrente. A pressãodinâmica é representada pela seguinte equação:

2 21Pd . . V (N / m )2

= ρ

4.5.3 Pressão totalÉ a pressão resultante da somatória das

pressões estáticas e dinâmicas exercidas porum fluido que se encontra em movimento.

4.5.4 Tipos de Pressão MedidasA pressão medida pode ser representada

pela pressão absoluta, manométrica ou dife-rencial. A escolha de uma destas três dependedo objetivo da medição. A seguir será defini-do cada tipo, bem como suas inter-relações eunidades utilizadas para representá-las.

Pressão absolutaÉ a pressão positiva a partir do vácuo per-

feito, ou seja, a soma da pressão atmosféricado local e a pressão manométrica. Geralmen-te, coloca-se a letra A após a unidade. Quandoa pressão é representada abaixo da pressãoatmosférica por pressão absoluta, esta é deno-minada grau de vácuo ou pressão barométrica.

Pressão manométricaÉ a pressão medida em relação à pressão

atmosférica existente no local, podendo serpositiva ou negativa. Geralmente, coloca-se aletra “G” após a unidade para representá-la.Quando se fala em uma pressão negativa emrelação à pressão atmosférica, esta é denomi-nada pressão de vácuo.

Pressão diferencialÉ o resultado da diferença de duas pres-

sões medidas. Em outras palavras, é a pressãomedida em qualquer ponto, exceto no pontozero de referência da pressão atmosférica.

Relação entre Tipos de Pressão MedidaA figura a seguir mostra graficamente a

relação entre os três tipos de pressão medida.

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Page 22: 2. Transmissao e Transmissores

4.5.5 Unidades de PressãoA pressão possui vários tipos de unidade.

Os sistemas de unidade MKS, CGS, gravitacio-nal e de coluna de líquido são utilizados tendocomo referência a pressão atmosférica e esco-lhidos, dependendo da área de utilização, tiposde medida de pressão, faixa de medição, etc.

Em geral, são utilizados para medição depressão as unidades Pa, N/m2, kgf/cm2, mmHg,mmH2O, lbf/pol2, Atm e bar.

Kgf/cm2 Ibf/pol2 BAR Pol Hg Pol H2O ATM mmHg mmH2O kpa

Kgf/cm2 1 14,233 0,9807 28,95 393,83 0,9678 735,58 10003 98,0665

lbf/pol2 0,0703 1 0,0689 2,036 27,689 0,068 51,71 70329 6,895

BAR 1,0197 14,504 1 29,53 401,6 0,98692 750,06 10200 100

Pol Hg 0,0345 0,4911 0,03386 1 13,599 0,0334 25,399 345,40 3,3863

Pol H2O 0,002537 0,03609 0,00249 0,07348 1 0,002456 1,8665 25,399 0,24884

ATM 1,0332 14,696 1,0133 29,921 406,933 1 760,05 10335 101,325

mmHg 0,00135 0,019337 0,00133 0,03937 0,5354 0,001316 1 13,598 0,013332

mmH2O 0,000099 0,00142 0,00098 0,00289 0,03937 0,00009 0,07353 1 0,0098

Kpa 0,010197 0,14504 0,01 0,29539 4,0158 0,009869 7,50062 101,998 1

Tabela 1 - Conversão de Unidades de Pressão

A seleção da unidade é livre, mas, geral-mente, deve-se escolher uma grandeza paraque o valor medido possa estar nas faixa de0,1 a 1000. Assim, as sete unidades são livres,porém, com freqüência, deve-se escolher umagrandeza para que o valor medido possa es-tar na faixa de pressão utilizada no campo dainstrumentação industrial. Suas relações po-dem ser encontradas na tabela de conversão aseguir.

H2O a 60°FHg a 32°F

Elemento de transferênciaAquele que amplia o deslocamento ou a

força do elemento de recepção ou que trans-forma o mesmo em um sinal único de trans-missão do tipo elétrica ou pneumática, envia-da ao elemento de indicação (exemplo: linksmecânicos, relé piloto, amplificadores opera-cionais).

Elemento de indicaçãoAquele que recebe o sinal do elemento de

transferência e indica ou registra a pressãomedida (exemplo: ponteiros, displays).

4.7 Principais Tipos de Medidores4.7.1 Manômetros

São dispositivos utilizados para indicaçãolocal de pressão e, em geral, estão divididosem duas partes principais: o manômetro de lí-quidos, que utiliza um líquido como meio parase medir a pressão, e o manômetro tipo elásti-co, que utiliza a deformação de um elementoelástico como meio para se medir a pressão.

A tabela a seguir classifica os manôme-tros de acordo com os elementos de recepção.

4.6 Técnicas de medição de pressão4.6.1 Introdução

A medição de uma variável de processo éfeita, sempre, baseada em princípios físicos ouquímicos e nas modificações que sofrem asmatérias quando sujeitas às alterações impos-tas por esta variável. A escolha dos princípiosestá associada às condições da aplicação. Nes-se tópico, serão abordadas as principais técni-cas e princípios de sua medição com objetivode facilitar a análise e escolha do tipo maisadequado para cada aplicação.

4.6.2 Composição dos Medidores de PressãoOs medidores de pressão, de um modo

geral, divididos em três partes, são fabricadospela associação destas partes ou mesmo incor-porados a conversores e, por isso, recebem onome de transmissores de pressão. As três par-tes de um medidor de pressão são:

Elemento de recepçãoAquele que recebe a pressão a ser medida

e a transforma em deslocamento ou força(exemplo: bourdon, fole, diafragma).

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Page 23: 2. Transmissao e Transmissores

Tipos de Manômetro Elementos de RecepçãoManômetros de líquidos

Manômetro Elástico

Tipo tubo em “U”Tipo tubo retoTipo tubo inclinadoTipo tubo de Boudon

Tipo diafragmaTipo foleTipo cápsula

Tipo CTipo espiralTipo helicoidal

4.7.2 Manômetro de LíquidoPrincípio de funcionamento e construção

É um instrumento de medição e indicaçãolocal de pressão baseado na equação mano-métrica. Sua construção é simples e de baixocusto. Basicamente, é constituído por tubo devidro com área seccional uniforme, uma esca-la graduada, um líquido de enchimento.

Líquidos de enchimentoA princípio, qualquer líquido com baixa

viscosidade, e não volátil nas condições demedição, pode ser utilizado como líquido deenchimento. Entretanto, na prática, a água des-tilada e o mercúrio são os líquidos mais utili-zados nesses manômetros.

Faixa de mediçãoEm função do peso específico do líquido

de enchimento e também da fragilidade do tubode vidro que limita seu tamanho, este instru-mento é utilizado somente para medição debaixas pressões.

Em termos práticos, a altura de colunamáxima disponível no mercado é de 2 metros,e, assim, a pressão máxima medida é de2 mmH2O, caso se utilize água destilada, e2 mmHg com utilização do mercúrio.

Condição de leitura (formação do menisco)O mercúrio e a água são os líquidos mais

utilizados para os manômetros de líquidos etêm diferentes formas de menisco (figura se-guinte). No caso do mercúrio, a leitura eéfeitana parte de cima do menisco, e para a água, naparte de baixo do menisco. A formação domenisco ocorre devido ao fenômeno de tubocapilar, causado pela tensão superficial do lí-quido e pela relação entre a adesão líquido-sólido e a coesão do líquido.

Num líquido que molha o sólido (água)tem-se uma adesão maior que a coesão. A ação

da tensão superficial, neste caso, obriga o lí-quido a subir dentro de um pequeno tubo verti-cal. Para líquidos que não molham o sólido(mercúrio), a tensão superficial tende a rebai-xar o menisco num pequeno tubo vertical. Nãohá relação entre pressão e tensão superficialdentro do tubo, precisando assim de compensação.

Forma de menisco.

O valor a ser compensado em relação aodiâmetro interno do tubo “d” é aproximada-mente:

Mercúrio – somar 14d

no valor da leitura

Água – somar 30d

no valor da leitura

Observa-se que “d” é amplamente utiliza-do na faixa de 6 ~ 10 mm. Na faixa de 6 mm,o valor é muito grande, ou seja, 2,3 mm paramercúrio e 5 mm para água. Assim, quando apressão de medição é zero, pode-se confirmara posição do menisco. Neste instante, mede-se a altura em que a parte de cima ou a partede baixo mudam pela pressão. Neste caso, nãoé preciso adicionar a compensação.

Quanto ao limite mínimo que se pode lerem uma escala graduada a olho nu, este é deaproximadamente 0,5 mm. Na prática, portan-to, o valor mais utilizado para divisão de umaescala é de 1mm para manômetro de líquidode uso geral e de 0,1mm (com escala secundá-ria) para manômetro padrão.

Influência da temperatura na leituraComo a medição de pressão utilizando

manômetro de líquido depende do peso espe-cífico do mesmo, a temperatura do ambienteonde o instrumento está instalado irá influen-ciar no resultado da leitura, sua variação, casoocorra, deve ser então, compensada. Isto é ne-cessário, pois na construção da escala é leva-da em consideração a massa específica do lí-quido a uma temperatura de referência.

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Page 24: 2. Transmissao e Transmissores

Se o líquido utilizado for o mercúrio, nor-malmente, considera-se como temperatura dereferência 0°C, e, por conseguinte, sua massaespecífica será 13.595,1 kg/m3.

Caso a água destilada seja o líquido utili-zado, considera-se como temperatura de refe-rência 4°C, e, desta maneira, sua massa espe-cífica será 1.000,0 kg/cm3.

Na prática, utiliza-se a temperatura de20°C como referência e esta deve ser escritana escala de pressão.

Outra influência da temperatura na medi-ção de pressão por este dispositivo é decor-rente do comprimento da escala alterar-se em

função da variação de temperatura. Quando hánecessidade de leituras precisas, esta variaçãodeve ser compensada.

4.8 Tipos de Manômetro Líquido4.8.1 Manômetro tipo Coluna em “U”

O tubo em “U” é um dos medidores depressão mais simples entre os medidores parabaixa pressão. É constituído por um tubo dematerial transparente (geralmente vidro),recurvado em forma de U e fixado sobre umaescala graduada. A figura seguinte mostra trêsformas básicas.

Manômetro tipo coluna “U”.

No tipo (a), o zero da escala está no mes-mo plano horizontal que a superfície do líqui-do quando as pressões P1 e P2 são iguais. Nes-te caso, a superfície do líquido desce no ladode alta pressão e, conseqüentemente, sobe nolado de baixa pressão. A leitura é feita, soman-do-se a quantidade deslocada a partir do zeronos lados de alta e baixa pressão.

No tipo (b), o ajuste de zero é feito emrelação ao lado de alta pressão. Neste tipo, hánecessidade de se ajustar a escala a cada mu-dança de pressão.

No tipo (c) a leitura é feita a partir do pon-to mínimo da superfície do líquido no lado dealta pressão, subtraída do ponto máximo dolado de baixa pressão. A leitura pode ser feita,simplesmente, medindo o deslocamento dolado de baixa pressão a partir do mesmo níveldo lado de alta pressão, tomando como refe-rência o zero da escala.

A faixa de medição é de aproximadamen-te 0 ~ 2000 mmH2O/mmHg.

4.8.2 Manômetro tipo Coluna Reta VerticalO emprego deste manômetro é idêntico ao

do tubo em “U”.As áreas dos ramos da coluna são diferen-

tes, pois a maior pressão é aplicada normal-mente no lado de área maior e provoca umpequeno deslocamento do líquido na mesma,fazendo com que o deslocamento no outroramo seja bem maior, face ao volume deslo-cado ser o mesmo e sua área bem menor. Cha-mando as áreas do ramo reto e do ramo demaior área de “a” e “A”, respectivamente, eaplicando pressões P1 e P2 em suas extremida-des, tem-se pela equação manométrica:

P1 – P2 = γ (h2 + h1)

Como o volume deslocado é o mesmo,tem-se:

A . h1 = a . h2 ∴ h1 = aA

. h2

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Page 25: 2. Transmissao e Transmissores

31

Substituindo o valor de h1, na equaçãomanométrica, obtém-se:

P1 – P2 = γ . h2 a1A

+ Como “A” é muito maior que “a”, a equa-

ção anterior pode ser simplificada e reescrita.Assim, a seguinte equação é utilizada paracálculo da pressão.

P1 – P2 = γ . h2

Manômetro tipo coluna reta vertical.

4.8.3 Manômetro tipo Coluna InclinadaEste Manômetro é utilizado para medir bai-

xas pressões na ordem de 50 mmH2O. Sua cons-trução é feita inclinando um tubo reto de peque-no diâmetro, de modo a medir, com boa preci-são, pressões em função do deslocamento do lí-quido dentro do tubo. A vantagem adicional é ade expandir a escala de leitura o que é muitasvezes conveniente para medições de pequenaspressões com boa precisão (± 0,02 mmH2O).

A figura a seguir representa o croqui cons-trutivo de um manômetro tipo coluna inclina-da, onde “α” é o ângulo de inclinação, “a” e“A” são áreas dos ramos.

P1 e P2 são as pressões aplicadas, saben-do-se que, P1 > P2.

Como a quantidade deslocada, em volu-me, é a mesma e os ramos apresentam áreasdiferentes, tem-se:

P1 – P2 = γ . l a senA

+ α pois h2 = l . sen α

Manômetro tipo tubo inclinado.

Conseqüentemente, a proporção da dife-rença entre as alturas das duas superfícies dolíquido é:

1 2

1 1 1ah h h senA

= =+ + α

O movimento da superfície do líquido é

aplicado de 1a senA

α vezes para cada tipo

de tubo reto.Quanto menores forem a/A e α, maior será

a taxa de ampliação. Devido às influências dofenômeno de tubo capilar e da uniformidadedo tubo, é recomendável utilizar o grau de in-clinação de aproximadamente 1/10. A leitura,neste tipo de manômetro, é feita com o meniscona posição vertical em relação ao tubo reto. Odiâmetro interno do tubo reto é de 2 ~ 3 mm, afaixa de utilização é de aproximadamente10 ~ 50 mm H2O, e é utilizado como padrãonas medidas de micropressão.

4.8.4 AplicaçãoOs manômetros de líquido foram larga-

mente utilizados na medição de pressão, nívele vazão nos primórdios da instrumentação.Hoje, com o advento de outras tecnologias, quepermitem leituras remotas, a aplicação destesinstrumentos na área industrial limita-se a lo-cais ou situações cujos valores medidos nãosão cruciais no resultado final do processo, oua locais cuja distância da sala de controle in-viabiliza a instalação de outro tipo de instru-mento. É nos laboratórios de calibração queainda encontra-se, porém, sua grande utiliza-ção, pois podem ser tratados como padrões.

4.8.5 Manômetro Tubo BourdonConstrução e característica do tubo de Bourdon

Tubo de Bourdon consiste em um tubocom seção oval, que, disposto em forma de“C”, espiral ou helicoidal conforme Figura aseguir, tem uma de suas extremidades fecha-da e a outra aberta à pressão a ser medida.

Com pressão agindo em seu interior, otubo tende a tomar uma seção circular, resul-tando em movimento em sua extremidade fe-chada. Este movimento, através de engrena-gens, é transmitido a um ponteiro, que irá in-dicar uma medida de pressão em uma escalagraduada.

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Instrumentação BásicaA construção básica, o mecanismo inter-

no e seção de tubo de Bourdon, são mostradosnas figuras seguintes.

Seção de Bourdon.

Mecanismo interno.

Construção básica do manômetro de Bourdon tipo “C”.

4.9 Manômetro Tipo ElásticoEste tipo de instrumento de medição de

pressão baseia-se na lei de Hooke sobre elas-ticidade dos materiais.

Em 1979, Robert Hooke estabeleceu estalei que relaciona a força aplicada em um cor-po e a deformação por ele sofrida. De acordocom seu enunciado: “o módulo da força apli-cada em um corpo é proporcional à deforma-ção provocada”.

Esta deformação pode ser dividida emelástica (determinada pelo limite de elastici-dade), e plástica ou permanente.

Os medidores de pressão do tipo elásticosão submetidos a valores de pressão sempreabaixo do limite de elasticidade, pois, assim,cessada a força a ele submetida, o medidorretorna para sua posição inicial sem perder suascaracterísticas.

Esses medidores podem ser classificadosem dois tipos:

1. conversor da deformação do elementode recepção em sinal elétrico ou pneu-mático.

2. indicador/amplificador de deformaçãodo elemento de recepção através da con-versão de deslocamento linear em ân-gulos utilizando dispositivos mecânicos.

Funcionamento do medidor tipo elásticoO elemento de recepção de pressão tipo elás-

tico sofre maior deformação quanto maior for apressão aplicada. Esta deformação é medida pordispositivos mecânicos, elétricos ou eletrônicos.

O elemento de recepção de pressão tipoelástico, comumente chamado de manômetro,é aquele que mede a deformação elástica so-frida quando está submetido a uma força re-sultante da pressão aplicada sobre uma área es-pecífica. Esta deformação provoca um deslo-camento específico linear, que é convertido, deforma proporcional, à um deslocamento angu-lar através de mecanismo específico. Ao deslo-camento angular, é anexado um ponteiro, quepercorre uma escala linear, que representa a fai-xa de medição do elemento de recepção.

Principais tipos de elementos de recepçãoA tabela abaixo mostra os principais tipos

de elementos de recepção utilizados na medi-ção de pressão baseada na deformação elásti-ca, bem como sua aplicação e faixa recomen-dável de trabalho.

b) Material de BourdonO tipo de material a ser utilizado na con-

fecção de Bourdon é determinado de acordocom a faixa de pressão a ser medida e a com-patibilidade com o fluido. A tabela a seguirindica os materiais mais utilizados na confec-ção do tubo de Bourdon.

Elemento Recepçãode Pressão Aplicação / Restrição

Tubo de Bourdon

Faixa de Pressão(máx)

Não apropriado paramicropressão

~ 1000 kgf/cm2

Diafragma Baixa pressão ~ 3 kgf/cm2

Fole Baixa e média pressão ~ 10 kgf/cm2

Cápsula Micropressão ~ 300 mmH2O

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Material Composição

BronzeAlumibrasAço InoxBronze FosforosoCobre berílioLiga de Aço

Coeficiente deElasticidade

Cu 60 ~ 71 e ZnCu 76, Zn 22, Al 12Ni 10 ~ 14, Cr 16 ~18 e FeCu 92, Sn 8, P 0.03Be 1 ~ 2, Co 0,35 e CuCr 0.9 ~ 1.2, Mo 0.15 ~ 30 e Fe

1.1 x 108 kgf/cm2

1.1 x 104

1.8 x 104

1.4 x 104

1.3 x 104

2.1 x 104

~ 50 kgf/cm2

~ 50~ 700~ 50~ 700~ 700

Faixa deUtilização

Classificação dos manômetros tipo BourdonOs manômetros tipo Bourdon podem ser

classificados quanto ao tipo de pressão medi-da e quanto à classe de precisão.

Quanto ao tipo de pressão, pode ser ma-nométrica, vácuo, ou pressão diferencial.

Quanto à classe de precisão, a classifica-ção pode ser obtida através das tabelas deManômetro / vacuômetro e Manômetro com-posto, a seguir.

A pressão indicada é resultante da diferen-ça de pressão aplicada em cada Bourdon. Porutilizar tubo de Bourdon, sua faixa de utiliza-

L H

Manômetros de pressão diferencial.

Manômetros tipo dos ponteiro.

Manômetro duploSão manômetros com dois Bourdons e mecanismos independentes, e utilizados para medir

duas pressões distintas, porém com mesma faixa de trabalho. A vantagem deste tipo está no fatode utilizar uma única caixa e um único mostrador.

ção é aproximadamente de 2 a150 kgf/cm2. Sua aplicação ocor-re, geralmente, em medição denível, vazão e perda de carga emfiltros.

Manômetro com selagem líquidaEm processos industriais que manipulam

fluidos corrosivos, tóxicos, sujeitos à alta tem-peratura e/ou radioativos, a medição de pres-são com manômetro tipo elástico torna-se im-praticável, pois o Bourdon não é adequado paraesta aplicação, seja em função dos efeitos dadeformação proveniente da temperatura, seja

pela dificuldade de escoamento de fluidos vis-cosos gerada pelo ataque químico de fluidoscorrosivos. Nesse caso, a solução é recorrer àutilização de algum tipo de isolação para im-pedir o contato direto do fluido do processocom o Bourdon. Existem, basicamente, doistipos de isolação, tecnicamente chamada de se-lagem. Um com selagem líquida, utilizando

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Page 28: 2. Transmissao e Transmissores

Manômetro com selo de diafragma.

Pote de Selagem.

Acessórios para manômetro tipo BourdonAmortecedores de pulsação

Os amortecedores de pulsação têm por fi-nalidade restringir a passagem do fluido doprocesso até um ponto ideal em que a freqüên-cia de pulsação torne-se nula ou quase nula.

Amortecedores de pulsação.

B C D

A – Amortecedor de pulsação ajustável,dotado de disco interno com perfu-ração de diâmetro variável. Atravésda seleção dos orifícios do disco in-terno, escolhe-se o que apresentamelhor desempenho.

B – Amortecedor de pulsação não ajustá-vel, dotado de capilar interno de inox.

C – Amortecedor de golpes de ariete,com corpo de latão e esfera bloquea-dora de aço.

D – Válvula de agulha, supressora de pul-sação com regulagem externa. Paraencontrar o ponto de melhor desem-penho, abre-se a válvula quase total-mente, em seguida, fecha-se gradati-vamente, até que o ponteiro do instru-mento estabilize.

SifõesOs sifões são utilizados para “isolar” o

calor das linhas de vapor d'água ou líquidosmuito quentes, cuja temperatura supera o li-mite previsto para o instrumento de pressão.O líquido que fica retido na curva do tubo-sifão esfria, e é essa porção de líquido que iráter contato com o sensor elástico do instrumen-to, de forma a não permitir que a alta tempera-tura do processo atinja diretamente o mesmo.

Tipos de Sifão.

A – Cachimbo B – Rabo dePorco

C – Bobina D – Alta Pressão

A

um fluido líquido inerte em contato com oBourdon e que não se mistura com o fluido doprocesso. Nesse caso é usado um pote de sela-gem conforme Figura abaixo.

Este acessório é instalado em conjuntocom o manômetro, a fim de estabilizar ou di-minuir as oscilações do ponteiro em funçãodo sinal pulsante. A estabilização do ponteiropossibilita a leitura da pressão e também au-menta a vida útil do instrumento.

Os amortecedores de pulsação podem seradquiridos com restrição fixa ou ajustáveis. Afigura a seguir mostra alguns tipos de amorte-cedores de pulsação encontrados no mercado.

O outro tipo, também com selagem líqui-da, utiliza, porém, um diafragma como selo.O fluido de selagem mais utilizado, nesse caso,é a glicerina, por ser inerte a quase todos osfluidos. Este método é o mais utilizado e já éfornecido pelos fabricantes, quando solicita-do. Um exemplo desse tipo é mostrado na Fi-gura abaixo.

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Supressor de Pressão.

Supressor de pressãoEste acessório tem por finalidade prote-

ger os manômetros de pressões que ultrapas-sem, ocasionalmente, as condições normais deoperação. É recomendável, nesses casos, paraevitar ruptura do elemento de pressão. Seu blo-queio está relacionado com a velocidade doincremento de pressão. O ponto de ajuste deve

Manômetro tipo DiafragmaEste tipo de medidor utiliza o diafragma

para medir determinada pressão, bem como,para separar o fluido medido do mecanismointerno. Foi mostrado anteriormente o manô-metro tipo de Bourdon que utiliza selagem lí-quida. Neste item será abordado o medidor queutiliza um diafragma elástico.

A Figura anterior mostra este tipo de me-didor.

A área de recepção de pressão do diafrag-ma, muda de acordo com a quantidade de des-locamento. Para se obter linearidade, em fun-ção de grande deslocamento, deve-se fazer odiâmetro com dimensões maiores. A área efe-tiva do diafragma é calculada pela seguinteequação.

Ae = 8π (a2 + b2) (cm2)

Onde:a = diâmetro livre do diafragma

b = diâmetro de chapa reforçada

E ainda, a quantidade de deslocamento écalculada pela seguinte equação.

S = Ae .P . Cd

ser atingido de modo que, com incremento len-to de pressão, o bloqueio ocorra entre 80 a120% do valor da escala. Nesta condição,haverá o bloqueio em qualquer valor inferiora 80%, no caso de incrementos rápidos depressão. Para manômetros com escala infe-rior a 3 kgf/cm2, seu bloqueio poderá situar-seem até 130% do valor da escala.

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5Instrumento deTransmissão de sinal

Os instrumentos de transmissão de sinalde pressão têm a função de enviar informa-ções à distância das condições atuais de pro-cesso desta variável. Tais informações são en-viadas de forma padronizada, através de di-versos tipos de sinais e utilizando sempre umdos elementos sensores já estudado anterior-mente (fole, diafragma, cápsula, etc.), associa-dos a conversores, cuja finalidade principal étransformar as variações de pressão detecta-das pelos elementos sensores em sinais padrõesde transmissão.

5.1 Tipos de transmissores de pressão5.1.1 Transmissores pneumáticos

Pioneiros na instrumentação, estes trans-missores possuem um elemento de transferên-cia que converte o sinal detectado pelo elemen-to receptor de pressão em um sinal de trans-missão pneumático. A faixa padrão de trans-missão (pelo sistema internacional) é de 20 a100 kPa, porém, na prática, são usados outrospadrões equivalentes de transmissão tais como3 ~ 15 psi, 0,2 a 1,0 kgf/cm2 e 0,2 a 1,0 bar.

A alimentação do instrumento, denomi-nada de suprimento de ar, é normalmente de1,4 kgf/cm2. Em instrumentos industriais, o arde suprimento vindo da fonte (compressor)deve ser limpo e constante, contribuindo, comisto, para aumentar a vida do instrumento, bemcomo proporcionar seu bom funcionamento.Por isso, faz-se necessário controlar o ambien-te ao redor do compressor, para obter satisfa-toriamente o ar de suprimento.

Os transmissores pneumáticos são fabri-cados a partir de dois métodos de conversãode sinal. São eles:

a) Método de equilíbrio.b) Método de equilíbrio de movimento

(conforme Figuras ao lado)Em ambos os casos, um mecanismo cons-

tituído por uma lâmina metálica, denominadade palheta, e por um orifício específico deexaustão de ar, denominado de bico, chamado

sistema bico-palheta, é utilizado como elemen-to de conversão. Este sistema é interligado aum dispositivo amplificador de sinais pneu-máticos de 0,2 a 1,0 kgf/cm2. Completa esteinstrumento, um fole de realimentação, cujafunção é garantir as condições de equilíbriodo instrumento.

A diferença básica entre estes dois méto-dos está somente na forma com que o sinaldetectado é convertido. No método de equilí-brio de força, o bico mantém-se fixo e somen-te a palheta afasta-se ou aproxima-se do mes-mo para ganhar uma contrapressão, proporcio-nal à detectada, que será amplificada pelo relépiloto.

No método de equilíbrio de movimento,tanto o bico quanto a palheta movimentam-separa obter a contrapressão correspondente àpressão detectada.

Método de equilíbrio de movimento ou posição.

Método de equilíbrio de força (equilíbrio de vetor).

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Page 31: 2. Transmissao e Transmissores

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Resistência elétrica para medição de pressão.

5.1.2 Transmissores eletrônicos analógicosEstes transmissores, sucessores dos pneu-

máticos, possuem elementos de detecção si-milares aos pneumáticos, porém utilizam ele-mentos de transferência que convertem o si-nal de pressão detectado em sinal elétrico pa-dronizado de 4 a 20 mAdc. Existem váriosprincípios físicos relacionados a variações depressão que podem ser utilizados como ele-mentos de transferência. Os mais utilizados,nos transmissores mais recentes, são:

Fita Extensiométrica (Strain Gauge)É um dispositivo que mede a deformação

elástica sofrida pelos sólidos quando estes sãosubmetidos ao esforço de tração ou compres-são. São, na realidade, fitas metálicas fixadasadequadamente nas faces de um corpo a sersubmetido ao esforço de tração ou compres-são e que têm sua seção transversal e seu com-primento alterados devido ao esforço impostoao corpo. Estas fitas são interligadas em umcircuito tipo ponte de WHEATSTONE ajusta-da e balanceada para condição inicial. Ao teros valores de resistência da fita mudada com apressão, esta sofre desbalanceamento propor-cional à variação desta pressão. São utilizadasna confecção destas fitas extensiométricas,metais que possuem baixo coeficiente de tem-peratura para que exista uma relação linearentre resistência e tensão numa faixa maisampla. Vários são os metais utilizados na con-fecção da fita extensiométrica. Como referên-cia, a tabela a seguir mostra alguns destes.

Denominação Constituição (Liga)

ConstantanKarma479 PtNichrome V

Faixa deTemperatura

Cobre – NíquelCobre – Níquel AditivadoPlatina – TungstênioNíquel – Cromo

+ 10 ~ 204oCAté 427oCAté 649oCAté 649oC

Material para fabricação de Strain-gange.

O elemento de resistência que mede pres-são é utilizado como um lado de uma ponteconforme mostra a Figura seguinte para indi-car a variação de resistência. Este tipo é uti-lizado como padrão para pressão maior que3000 kgf/cm2. Por ter pouca histerese e nãopossuir atraso de indicação é apropriado paramedições de pressão variável.

Fixação Strain-gange.

Sensor PiezoelétricoA medição de pressão utilizando este tipo

de sensor baseia-se no fato dos cristais assi-métricos, ao sofrerem uma deformação elásti-ca ao longo do seu eixo axial, produzirem inter-namente um potencial elétrico causando um flu-xo de carga elétrica em um circuito externo.

A quantidade elétrica produzida é propor-cional à pressão aplicada, ou seja esta relaçãoé linear o que facilita sua utilização. Outro fa-tor importante para sua utilização está no fatode se utilizar o efeito piezoelétrico de semi-condutores, reduzindo assim o tamanho e pesodo transmissor, sem perda de precisão.

Cristais de turmalina, cerâmica Policris-talina Sintética, quartzo e quartzo cultivado po-dem ser utilizados na sua fabricação, porém oquartzo cultivado é o mais empregado porapresentar características ideais de elasticida-de e linearidade.

A figura seguinte mostra o diafragma sim-plificado da construção do sensor piezoelétrico.

Construção Sensor Piezoelétrico.

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Sensor Capacitivo (Célula Capacitiva)É o sensor mais utilizado em transmisso-

res de pressão. Nele, um diafragma de medi-ção move-se entre dois diafragmas fixos. En-tre os diafragmas fixos e o móvel, existe umlíquido de enchimento que funciona como umdielétrico. Como um capacitor de placas para-lelas, é constituído por estas, separadas por ummeio dielétrico. Ao sofrer o esforço de pres-são, o diafragma móvel (que vem a ser umadas placas do capacitor) tem sua distância emrelação ao diafragma modificada. Isto provo-ca modificação na capacitância de um círculode medição e, tem-se, então, a medição de pressão.

Para que ocorra a medição, o circuito ele-trônico é alimentado por um sinal AC atravésde um oscilador e, então, a freqüência ou aamplitude do sinal é modulada em função davariação de pressão para se ter a saída em cor-rente ou digital. Como líquido de enchimento,utiliza-se, normalmente, glicerina, ou “fluor-oil”.

5.2 Instrumentos para alarme e inter-travamento

A variável pressão quando aplicada em umprocesso industrial qualquer, submete os equi-pamentos a esforços de deformação que de-vem estar sempre abaixo de limites de segu-rança, para que não ocorra ruptura e conseqüen-temente acidentes. A garantia da permanência dos

valores de pressão sempre abaixo dos limitesde segurança deve ser feita de forma automá-tica através de instrumentos de proteção. Nocaso da pressão, um dos instrumentos de prote-ção com grande aplicação é o pressostato, so-bre o qual serão feitas abordagens neste tópico.

5.2.1 PressostatoÉ um instrumento de medição de pressão

utilizado como componente do sistema de pro-teção de equipamento. Sua função básica é deproteger a integridade de equipamentos con-tra sobrepressão ou subpressão aplicada aosmesmos durante seu funcionamento.

É constituído, em geral, por um sensor, ummecanismo de ajuste de set-point uma chave deduas posições (aberto ou fechado). Como ele-mento sensor, pode-se utilizar qualquer um dostipos já estudados, dentre os quais o mais utili-zado nas diversas aplicações é o diafragma.

Como mecanismo de ajuste de set-pointutiliza-se, na maioria das aplicações, de umamola com faixa de ajuste selecionada confor-me pressão de trabalho.

O mecanismo de mudança de estado maisutilizado é o microinterruptor, entretanto tam-bém pode ser empregada uma ampola de vi-dro com mercúrio acionando uma chave in-terruptora.

Tipos de PressostatosDiferencial fixo ou ajustável

Quanto ao intervalo entre atuação e de-sarme, os pressostatos podem ser fornecidoscom diferencial fixo e diferencial ajustável.

O pressostato diferencial fixo só ofereceum ponto de ajuste, o de set-point.

O tipo ajustável permite ajuste de set-pointe também alteração do intervalo entre o pontode atuação e desarme do pressostato.

Contato SPDT e DPDT (Contato duplo)Quanto ao contato disponível no microin-

terruptor, pode-se selecionar o do tipo SPDT,que é composto basicamente por um terminalcomum, um contato normal aberto (NA) e umcontato normal fechado (NF); ou selecionar otipo DPDT, constituído de duplo contato, ouseja, dois comuns, dois NA e dois NF sendoum reserva do outro.

Como selecionar corretamente um pressostato1. Vida útil do pressostato

A primeira consideração a ser feita na se-leção de um pressostato é seu tempo de vida

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Page 33: 2. Transmissao e Transmissores

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a) Pressostato de um contato – atua sobuma única variação de pressão, abrin-do ou fechando um único circuito elé-trico, por meio da ação reversível domicro-interruptor.

b) Pressostato diferencial – atua em con-dições de variação entre duas pressõesnuma mesma linha controlada pelomesmo instrumento.

c) Pressostato de dois contatos – atua, in-dependentemente, sobre dois limites deuma mesma fonte de pressão, abrindoou fechando dois circuitos elétricos in-dependentes por meio da ação reversí-vel de dois interruptores.

4. Tipos de caixas disponíveisa) Pressostato com caixa à prova de tem-

po IP65 – Podem ser fornecidos tam-bém com um bloco de terminais inter-no para conexões elétricas, evitando ainstalação de um bloco de terminaisexterno para a ligação dos cabos.

b) À prova de explosão – construídos deacordo com rígidos padrões de segu-rança, isolando os contatos e cabos deatmosferas explosivas.

c) Desprovidos de caixa. Adequados àsnecessidades dos fabricantes de equi-pamento, que prevêm proteção especialpara instrumento, pelo usuário.

5. Seleção da faixa ajustávelO termo “faixa de trabalho” define a faixa

de pressão, normalmente chamada de faixaajustável,na qual o pressostato irá operar emcondições normais de trabalho.

Para maior precisão, o ponto de atuaçãodeve situar-se acima de 65% da faixa ajustável.

Para maior durabilidade, o ponto de atua-ção deve situar-se abaixo de 65% da mesma(ver gráfico a seguir). A melhor combinaçãode precisão e durabilidade situa-se nos 30%centrais da faixa ajustável. Essa regra geralaplica-se a ambos os modelos, diafragma ebourdon.

1. Para precisão e durabilidade selecionarzona A.

2. Para durabilidade selecionar zona C.

útil, independentemente da pressão ou dasensibilidade desejada. Se o número de ciclosque o pressostato deve operar (vida útil), forde um milhão de vezes ou menos, o uso dostipos diafragma ou bourdon é recomendável.Caso este número seja ultrapassado, deve-seusar o tipo pistão. Uma exceção a esta regrapode ser feita quando a variação de pressão nosistema for muito pequena (20% ou menos dafaixa ajustável). Sob tais condições, os tiposdiafragma ou bourdon podem ser usados até2,5 milhões de ciclos, antes que ocorra a fadi-ga do elemento sensor.

Uma segunda consideração na escolha deum pressostato é a velocidade de ciclagem,independente de sua vida útil. Caso haja ne-cessidade de uma ciclagem de mais de umavez a cada três segundos, o tipo pistão deveser especificado. O elemento sensor de qual-quer pressostato dos tipos diafragma ou bour-don age como uma mola que irá aquecer e so-frer fadiga em operações de ciclagem extre-mamente rápidas, diminuindo, assim, a vidaútil do pressostato.

2. Pressostato de TesteA escolha do tipo de pressostato a ser usa-

do – diafragma, pistão ou bourdon – deve tam-bém ser regida pela pressão de teste a que po-derão ser submetidos (pressão de teste é omaior impulso – pico – de pressão que podeocorrer em um sistema). Deve ser lembradoque, embora o manômetro registre uma pres-são de operação constante, podem haver im-pulsos através do sistema para os quais omanômetro não possui sensibilidade (Zonamorta). Os tipos diafragma e bourdon são ex-tremamente sensíveis e podem ser afetados poresses impulsos. Os pressostatos tipo diafrag-ma são disponíveis numa faixa ajustável des-de vácuo até 20 bar, com pressões de teste deaté 70 bar. O tipo bourdon pode operar até1.240 bar, com pressões de teste de até 1.655bar. Os tipos pistão compreendem uma faixaajustável que vai até 25 bar, com pressões deteste de até 1.380 bar.

3. Função do PressostatoA função do pressostato é outro fator

determinante na seleção. Três tipos de pres-sostatos, baseados em sua função, são descri-tos a seguir:

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Page 34: 2. Transmissao e Transmissores

6. Grau de ProteçãoEspecifica a proteção quanto à entrada de

corpos sólidos e penetração de água nos orifí-cios existentes no motor, responsáveis pelarefrigeração do mesmo.

O grau de proteção segundo a ABNT, éindicado pelas letras IP seguidas de dois alga-rismos.

a) Primeiro algarismo0 - sem proteção;1 - corpos sólidos com dimensões

acima de 50 mm;2 - corpos sólidos com dimensões

acima de 12 mm;3 - corpos sólidos com dimensões

acima de 2,5 mm;4 - corpos sólidos com dimensões

acima de 1,0 mm5 - proteção contra o acúmulo de

poeira;6 - proteção contra penetração de

poeira.

b) Segundo algarismo0 - sem proteção;1 - pingos de água na vertical;2 - pingos de água até inclinação de

15° com a vertical;3 - água de chuva até a inclinação de

60° com a vertical;4 - respingos em todas as direções;5 - jatos de água em toas as direções.

5.3 Instrumentos conversores de sinaisOs componentes têm como função básica

modificar a natureza ou amplitude de um si-nal para permitir a interligação de instrumen-tos que trabalham com sinais diferentes.

Existem diversas situações para justificarsua aplicação, dentre elas as conversões de si-nas de termopares para corrente ou tensão cujopadrão de transmissão corresponde a 4 a 20 mAou 1 a 5 vdc, respectivamente. Todas as con-versões são de igual importância, entretanto,como as mais comuns são as que permitem acomunicação entre sinais elétricos e pneumá-ticos, estas serão enfocadas a seguir.

5.3.1 Conversores eletro-pneumáticos e pneumáticos-elétricos

Também conhecidos como I/P e P/I, têmcomo função interfacear a instrumentaçãopneumática com a elétrica, bem como permi-tir a utilização de atuadores pneumáticos nainstrumentação eletrônica analógica ou digital.

Conversores eletro-pneumáticos (I/P)Este instrumento recebe um sinal de 4 a

20 mA dc, aplicado a uma unidade magnética(bobina), criando um campo magnético pro-porcional à intensidade de corrente que a ex-citou. Esse campo proporciona deflexão emuma barra fletora que atua como anteparo emrelação a um bico de passagem de ar paraexaustão. A aproximação desta barra, conhe-cida como palheta, ao bico cria uma contra-pressão que é amplificada, através de uma uni-dade denominada relé piloto, para um sinal

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Page 35: 2. Transmissao e Transmissores

pneumático proporcional à entrada. A pressão de saída é realimentada através do fole para per-mitir o equilíbrio do sistema.

Necessitam, basicamente, de ajuste de zero, obtido pela variação de carga de uma mola, eajuste de largura de faixa (span) conseguido mudando-se a relação do momento de força. Comoexemplo, observe o esquemático de um conversor na figura a seguir.

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6Medição de Vazão

6.1 IntroduçãoA vazão é umas das principais variáveis

do processo. Em aplicações como transferên-cia de custódia, balanços de massas, controlede combustão, etc., precisão é fundamental.Devido a variedades de processos e produtos,haverá sempre um medidor mais indicado parauma determinada aplicação.

Este capítulo tem a finalidade de mostrara diversidade dos medidores de vazão, bemcomo, seus princípios de funcionamento. Asinformações aqui abordadas poderão elucidaralgumas dúvidas para a escolha do melhormétodo de medição desta variável tão impor-tante.

Medidor magnético de vazão.

A medição de vazão inclui no seu sentidomais amplo, a determinação da quantidade delíquidos, gases e sólidos que passa por umdeterminado local na unidade de tempo.

A quantidade total movimentada pode sermedida em unidades de volume (litros, mm3,cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidadesde massa (g, Kg, toneladas, libras).

A vazão instantânea é dada pela divisãode uma das unidades anteriores, por uma uni-dade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão ins-tantânea pode ser expressa, em Kg/h ou m3/h.Quando a vazão é medida em unidades devolume, devem ser especificadas as “condi-ções base” consideradas. Assim, no caso delíquidos, é importante indicar que a vazão seconsidera “nas condições de operação”, ou a0°C, 20°C, ou a outra temperatura qualquer.Na medição de gases, é comum indicar a va-zão em Nm3/h (metros cúbicos normais porhora, ou seja a temperatura de 0°C e a pressãoatmosférica) ou em SCFM (pés cúbicosstandard por minuto – temperatura 60 °F e 14.696psi de pressão atmosférica). Vale dizer que:

1 m3 = 1000 litros → 1 galão (americano) = 3,785 litros1 pé cúbico = 0,0283168 m3 → 1 libra = 0,4536 kg

6.1.1 Tipos de medidores de vazãoExistem dois tipos de medidores de va-

zão, os medidores de quantidade e os medido-res volumétricos.

Medidores de quantidadeSão aqueles que, em qualquer instante,

permitem saber que quantidade de fluxo pas-sou mas não a vazão do fluxo que está passan-do. Exemplos: bombas de gasolina, hidrôme-tros, balanças industriais, etc.

Medidores de Quantidade por PesagemSão utilizados para medição de sólidos, ou

seja, são as balanças industriais.

Medidores de Quantidade VolumétricaSão aqueles em que o fluido, passando em

quantidades sucessivas pelo mecanismo demedição faz com que o mesmo acione o me-canismo de indicação.

Este medidores são utilizados como oselementos primários das bombas de gasolina

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Page 37: 2. Transmissao e Transmissores

e dos hidrômetros. Exemplos: disco nutante,tipo pistão rotativo oscilante, tipo pistão alter-nativo, tipo pás, tipo engrenagem, etc.

Tipo Pás Giratórias.

Tipo de Engrenagem.

Disco Nutante.

Tipo Pistão Rotativo.

Medidores volumétricosSão aqueles que exprimem a vazão por

unidade de tempo.

Medição de Vazão por Pressão DiferencialA pressão diferencial é produzida por vá-

rios tipos de elementos primários, colocadosna tubulação de forma tal que o fluido passaatravés deles. Sua função é aumentar a veloci-dade do fluido diminuindo a área da seção emum pequeno comprimento para haver umaqueda de pressão. A vazão pode então, sermedida a partir desta queda.

Uma vantagem primordial dos medidoresde vazão por ∆P é que os mesmos podem seraplicados numa grande variedade de medições,envolvendo a maioria dos gases e líquidos,inclusive fluidos com sólidos em suspensão,bem como fluídos viscosos, em uma faixa detemperatura e pressão bastante ampla. Um in-conveniente deste tipo de medidor é a perdade carga que o mesmo causa ao processo. Aplaca de orifício é o dispositivo que provoca amaior perda de carga “irrecuperável” (de 40 a80% do ∆P gerado).

6.2 Placa de OrifícioDos muitos dispositivos inseridos numa

tubulação para se criar uma pressão diferencial,o mais simples e mais comum empregado é oda placa de orifício.

Consiste em uma placa precisamente per-furada, e instalada perpendicularmente ao eixode tubulação.

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Page 38: 2. Transmissao e Transmissores

Vantagens DesvantagensInstalação fácil Alta perda de cargaEconômica Baixa rangeabilidadeConstrução simplesManutenção e troca simples

É essencial que as bordas do orifício este-jam sempre perfeitas, porque, se ficarem im-precisas ou corroídas pelo fluido, a precisãoda medição será comprometida. Costumeira-mente, são fabricadas com aço inox, monel,latão, etc., dependendo do fluido.

Tipos de orifícios

Concêntrico Excêntrico Segmental

a) Orifício concêntrico: este tipo de pla-ca é utilizado para líquidos, gases e va-pores que não contenham sólidos emsuspensão.

b) Orifício excêntrico: utilizado quandose tem fluido com sólidos em suspen-são, que possam ser retirados e acumu-lados na fase da placa. Para tanto, oorifício está posicionado na parte infe-rior, dentro do tubo.

c) Orifício segmental: esta placa tem aabertura para passagem de fluido, dis-posta em forma de segmento de círcu-lo. É destinada para uso em fluidoslaminados e com alta porcentagem desólidos em suspensão.

6.3 Tubo VenturiO tubo Venturi combina dentro de uma

unidade simples uma garganta estreitada en-tre duas seções cônicas e está usualmente ins-talado entre duas flanges, em tubulações. Seupropósito é acelerar o fluido e temporariamentebaixar sua pressão estática.

A recuperação de pressão em um tuboVenturi é bastante eficiente, como podemos verna Figura a seguir, sendo seu uso recomendadoquando se deseja um maior restabelecimento depressão e o fluido medido carrega sólidos emsuspensão. O Venturi produz um diferencial

menor que uma placa de orifício para umamesma vazão e diâmetro igual à sua garganta.

6.3.1 Bocal de VazãoO Bocal de vazão (Flow nozzle) é, em

muitos aspectos, um meio termo entre a placade orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bo-cais de vazão permite sua aplicação em servi-ços em que o fluido é abrasivo e corrosivo. Operfil de entrada é projetado de forma a guiara veia até atingir a seção estrangulada do ele-mento de medição, seguindo uma curvaelíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica(projeto ISA). Seu principal uso é em medi-ção de vapor com alta velocidade, recomen-dado para tubulações > 50 mm.

6.3.2 Tubo PitotÉ um dispositivo para medição de vazão

através da velocidade detectada em um pontode tubulação. Possui uma abertura em sua ex-tremidade. Tal abertura encontra-se na direçãoda corrente fluida de um duto. A diferençaentre pressão total e a pressão estática da li-nha resulta na pressão dinâmica, que é pro-porcional ao quadrado da velocidade.

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6.3.3 Medidor Tipo AnnubarO Annubar é um dispositivo de produção

de pressão diferencial, que ocupa todo o diâ-metro do tubo. É projetado para medir a vazãototal, de forma diferente dos dispositivos tra-dicionais de pressão diferencial.

6.3.4 RotâmetrosSão medidores de vazão por área variá-

vel, nos quais um flutuador varia sua posiçãodentro de um tubo cônico, proporcionalmenteà vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetroconsiste em duas partes:

1. Um tubo de vidro de formato cônico, oqual é colocado verticalmente na tubu-lação em que passa o fluido a ser me-dido. A extremidade maior do tubocônico fica voltada para cima.

2. No interior do tubo cônico, há um flu-tuador que se move verticalmente, emfunção da vazão medida.

6.3.5 Princípio BásicoO fluido passa através do tubo da base para

o topo. Quando não há vazão, o flutuador per-manece na base do tubo e seu diâmetro maioré, em geral, selecionado de tal maneira que blo-queia a pequena extremidade do tubo quase quecompletamente. Quando a vazão começa e ofluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flu-tuador mais leve, porém, como o flutuador temuma densidade maior que a do fluido, o empu-xo não é suficiente para levantar o flutuador.

A área de passagem oferece resistência àvazão e a queda de pressão do fluido começaa aumentar. Quando a pressão diferencial, so-mada ao efeito de empuxo do líquido, excedea pressão devido ao peso do flutuador, então oflutuador sobe e flutua na corrente fluida.

Com o movimento ascendente do flutua-dor em direção à parte mais larga do tubo, aárea anular, entre a parede do tubo de vidro e aperiferia do flutuador, aumenta. Como a áreaaumenta, o diferencial de pressão devido aoflutuador decresce. O flutuador ficará em equi-líbrio dinâmico, quando a pressão diferencialatravés do flutuador somada ao efeito de em-puxo contrabalançar o peso do flutuador.

Qualquer aumento na vazão movimenta oflutuador para a parte superior do tubo de vi-dro e a diminuição causa uma queda a um ní-vel mais baixo. Cada posição do flutuador cor-responde a um valor determinado de vazão esomente um. É necessário colocar uma escalacalibrada na parte externa do tubo e a vazãopoderá ser determinada pela observação dire-ta da posição do flutuador.

6.4 Medidores de vazão em canais abertosOs dois principais tipos são: o vertedor e

a calha de Parshall.

6.4.1 VertedorO vertedor mede a altura estática do fluxo

em reservatórios, que vertem o fluido de umaabertura de forma variável.

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6.4.2 Calha de ParshallO medidor tipo calha de Parshall é um tipo

de Venturi aberto que mede a altura estáticado fluxo. É um medidor mais vantajoso que overtedor, porque apresenta menor perda decarga e serve para medir fluidos com sólidosem suspensão.

6.5 Medidores especiais de vazãoOs principais medidores especiais de va-

zão são: medidores de vazão com eletrodos,tipo turbina, tipo Coriolis, Vortex e Ultra-sônico.6.5.1 Medidor Eletromagnético de Vazão

O medidor magnético de vazão é, segura-mente, um dos medidores mais flexíveis e uni-versais dentre os métodos de medição de va-zão. Sua perda de carga é equivalente a de umtrecho reto de tubulação, já que não possuiqualquer obstrução. É virtualmente insensívelà densidade e à viscosidade do fluido de me-dição. Medidores magnéticos são, portanto,ideais para medição de produtos químicos al-tamente corrosivos, fluidos com sólidos emsuspensão, lama, água, polpa de papel, etc. Suaaplicação estende-se desde saneamento atéindústrias químicas, papel e celulose, minera-ção e indústrias alimentícias. A única restri-ção é que o fluido tem que ser eletricamentecondutivo. Tem, ainda, como limitação o fatode fluidos com propriedades magnéticas adi-cionarem um certo erro de medição.

6.5.2 Medidor Tipo TurbinaO medidor é constituído, basicamente, por

um rotor montado axialmente na tubulação.O rotor é provido de aletas que o fazem girarquando passa um fluido na tubulação do pro-cesso. Uma bobina captadora com um ímãpermanente é montada fora da trajetória dofluido.

Quando este se movimenta através dotubo, o rotor gira a uma velocidade determi-nada pela velocidade do fluido e pelo ângulodas lâminas do rotor. A medida que cada lâ-mina passa diante da bobina e do ímã, ocorreum variação da relutância do circuito mag-nético e do fluxo magnético total a que estásubmetida a bobina. Verifica-se, então, aindução de um ciclo de tensão alternada. Afreqüência dos pulsos gerados desta maneiraé proporcional à velocidade do fluido e a va-zão pode ser determinada pela medição /totalização de pulsos.

6.5.3 Medidor por Efeito CoriolisÉ um instrumento de grande sucesso no

momento, pois tem grande aplicabilidade des-de a indústria alimentícia, farmacêutica, quí-mica, papel, petróleo, entre outras. Sua medi-ção, independe das variáveis de processos -densidade, viscosidade, condutibilidade, pres-são, temperatura e perfil do fluido.

Resumidamente, um medidor Coriolispossui dois componentes: tubos de sensoresde medição e transmissor. Os tubos de medi-ção são submetidos a uma oscilação e ficamvibrando em sua própria freqüência natural àbaixa amplitude, quase imperceptível a olhonu. Quando um fluido qualquer é introduzidono tubo em vibração, o efeito do Coriolismanifesta-se causando uma deformação, istoé, uma torção, que é captada por meio de sen-sores magnéticos que geram uma tensão emformato de ondas senoidais.

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As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição à passagem do fluido em suaregião de entrada (região de bobina 1), e, em oposição, auxiliam o fluido na região de saídados tubos.

O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD(“resistor temperature differetial”) é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, afim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da tem-peratura.

6.5.4 Medidor VortexQuando 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 desprendemalternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura a seguir. Este é um fenôme-no muito conhecido e demostrado em todos os livros de mecânica dos fluidos. Os vórtices tam-bém podem ser observados em situações freqüentes do nosso dai a dia, como por exemplo, omovimento oscilatório das plantas aquáticas, em razão da correnteza, as bandeiras flutuando aovento, as oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostos ao vento.

6.5.5 Medidores Ultra-sônicosOs medidores de vazão que usam a velo-

cidade do som como meio auxiliar de medi-ção podem ser divididos em dois tipos prin-cipais:

– medidores a efeito doppler e– medidores de tempo de trânsito.Existem medidores ultra-sônicos nos quais

os transdutores são presos à superfície exter-na da tubulação, e outros com os transdutores

em contato direto com o fluido. Os transduto-res-emissores de ultra-sons consistem em cris-tais piezoelétricos usados como fonte de ultra-som, para evitar sinais acústicos que passamno fluido, antes de atingir os sensores corres-pondentes.

6.5.6 Medidores de efeito DopplerO efeito Doppler é a aparente variação de

freqüência produzida pelo movimento relativo

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de um emissor e de um receptor de freqüên-cia. No caso, esta variação de freqüência ocorrequando as ondas são refletidas pelas partícu-las móveis do fluido. Nos medidores basea-dos neste princípio, os transdutores-emissoresprojetam um feixe contínuo de ultra-som nafaixa das centenas de khz. Os ultra-sons refle-tidos por partículas veiculadas pelo fluido têmsua freqüência alterada proporcionalmente aocomponente da velocidade das partículas nadireção do feixe. Estes instrumentos são, con-seqüentemente, sensíveis ao tipo de partícula.

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ResumoEste capítulo apresenta uma visão geral

sobre as principais técnicas utilizadas indus-trialmente na medição de nível, suas princi-pais características e aplicações.

7.1 IntroduçãoNível é a altura do conteúdo sólido ou lí-

quido de um reservatório. Trata-se de uma dasprincipais variáveis utilizadas em controle deprocessos contínuos, pois, através de sua me-dição, torna-se possível:

a) avaliar o volume estocado de materiaisem tanques de armazenamento;

b) balanço de materiais de processos con-tínuos em que existam volumes líqui-dos ou sólidos de acumulação tempo-rária, reações, mistura, etc.;

c) segurança e controle de alguns proces-sos onde o nível do produto não podeultrapassar determinados limites.

7.2 Métodos de medição de nível delíquido

Os três tipos básicos de medição de nível são:a) direto, c) descontínuo

b) indireto e

7.2.1 Medição diretaÉ a medição em que é tomada como refe-

rência a posição do plano superior da substân-cia medida. Neste tipo de medição, podem-seutilizar réguas ou gabaritos, visores de nível,bóia ou flutuador.

Régua ou GabaritoConsiste em uma

régua graduada, decomprimento conve-niente para sua intro-dução dentro do reser-vatório a ser medido.

A determinação do nível será efetuadaatravés da leitura direta do comprimento mo-lhado na régua pelo líquido.

Visores de NívelEste medidor usa o princípio dos vasos

comunicantes, o nível é observado por umvisor de vidro especial, podendo haver umaescala graduada acompanhando o visor.

Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados.

Bóia ou FlutuadorConsiste em uma bóia presa a um cabo

cuja extremidade encontra-se ligada a um con-trapeso. No contrapeso, está fixo um ponteiroque indicará diretamente o nível em uma es-cala. Esta medição é, normalmente, encontra-da em tanques abertos.

7.2.2 Medição indireta de nívelNeste tipo de medição, o nível é medido

indiretamente em função de grandezas físicascomo: pressão, empuxo, radiação e proprie-dades elétricas.

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Medição de Nível por Pressão Hidrostática (pres-são diferencial)

Neste tipo de medição, usa-se a pressãoexercida pela altura da coluna líquida, paramedir indiretamente o nível, como mostra oTeorema de Stevin:

P = h . δ

Onde:P = Pressão em mmH2O ou polegada H2Oh = nível em mm ou em polegadasδ = densidade relativa do líquido na tem-

peratura ambiente.

Esta técnica permite que a medição sejafeita independente do formato do tanque, sejaele aberto ou pressurizado.

Medição por Pressão Diferencial em tanquesPressurizados

Neste tipo de medição, a tubulação doimpulso da parte de baixo do tanque é conec-tada à câmara de alta pressão do transmissorde nível. A pressão atuante na câmara de altaé a soma da pressão exercida sobre a superfí-cie do líquido e a pressão exercida pela colu-na de líquido no fundo do reservatório. A câ-mara de baixa pressão do transmissor de nívelé conectada na tubulação de impulso da partede cima do tanque onde mede somente a pres-são exercida sobre a superfície do líquido.

Supressão de ZeroPara maior facilidade de manutenção e

acesso ao instrumento, muitas vezes o trans-missor é instalado abaixo do tanque. Outrasvezes, a falta de plataforma fixadora em tornode um tanque elevado resulta na instalação deum instrumento em um plano situado em ní-vel inferior à tomada de alta pressão.

Em ambos os casos, uma coluna líquidaserá formada com altura do líquido dentro datomada de impulso. Se o problema não forcontornado, o transmissor indicaria um nívelsuperior ao real.

Elevação de ZeroQuando o fluido do processo possuir alta

viscosidade, ou condensar-se nas tubulaçõesde impulso, ou ainda, no caso do fluido sercorrosivo, deve-se utilizar um sistema de sela-gem nas tubulações de impulso, das câmarasde baixa e alta pressão do transmissor de nível.Selam-se, então, ambas as tubulações de im-pulso, bem como as câmaras do instrumento.

Na Figura a seguir, é apresentado um sis-tema de medição de nível com selagem, ondedeve ser feita a elevação, que consiste em seanular a pressão da coluna líquida na tubula-ção de impulso da câmara de baixa pressão dotransmissor de nível.

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Medição de Nível com BorbulhadorCom o sistema de borbulhador pode-se

detectar o nível de líquidos viscosos, corrosi-vos, bem como de quaisquer líquidos à dis-tância.

Neste sistema, necessita-se de um supri-mento de ar ou gás e uma pressão ligeiramen-te superior à máxima pressão hidrostáticaexercida pelo líquido. Este valor, normalmen-te, é ajustado para aproximadamente 20% amais que a máxima pressão hidrostáticaexercida pelo líquido. O sistema borbulhadorengloba uma válvula agulha, um recipientecom líquido pelo qual o ar ou gás passarão eum indicador de pressão.

Ajusta-se a vazão de ar ou gás, de modoque se observe a formação de bolhas em pe-quenas quantidades. Um tubo levará esta va-zão de ar ou gás até o fundo do vaso, tem-se,então, um borbulhamento bem sensível de arou gás no líquido a ser medido. Na tubulaçãopela qual fluirá o ar ou gás, instala-se um indi-cador de pressão que indicará um valor equi-valente à pressão devido ao peso da coluna lí-quida. Nota-se que haverá condições de insta-lar o medidor à distância.

Medição de Nível por EmpuxoBaseia-se no princípio de Arquimedes:

“todo corpo mergulhado em um fluido sofre aação de uma força vertical dirigida de baixopara cima, igual ao peso do volume do fluidodeslocado.”

Esta força exercida pelo fluido do corponele submerso ou flutuante é chamada de em-puxo.

E = V . δ

Onde:E = empuxoV = volume deslocadoδ = densidade ou peso específico do lí-

quido

Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer), que sofre o em-puxo do nível de um líquido, transmitindo paraum indicador este movimento, por meio de umtubo de torque.

O medidor deve ter um dispositivo de ajus-te para densidade do líquido, cujo nível estásendo medido, pois o empuxo varia com adensidade.

Através dessa técnica é possível medir onível de interface entre dois líquidos não mis-cíveis.

Na indústria, muitas vezes, é necessáriomedir o nível da interface em um tanque con-tendo dois líquidos diferentes. Este fato ocor-re em torres de destilação, torres de lavagem,decantadores, etc.

Um dos métodos mais utilizados para amedição da interface é através da variação doempuxo.

Considere-se um flutuador de forma cilín-drica mergulhado em dois líquidos com pesosespecíficos diferentes δ1 e δ2. Pode-se consi-derar que o empuxo aplicado no flutuador seráa soma dos empuxos E1 e E2 aplicados ao ci-lindro, pelos líquidos de pesos específicos δ1e δ2, respectivamente. O empuxo será dado por:

Et = E1 + E2

Em que:

E1 = V1 . δ1 e E2= V2 . δ2

Assim, paradiferentes valo-res de altura deinterfaces, serãoobtidas diferen-tes variações deempuxo.

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Medição de Nível por RadiaçãoOs medidores que utilizam radiações nu-

cleares distinguem-se pelo fato de serem com-pletamente isentos do contato com os produ-tos que estão sendo medidos. Além disso, dis-pensando sondas ou outras técnicas que man-têm contato com sólidos ou líquidos tornam-se possível, em qualquer momento, realizar amanutenção desses medidores, sem a interfe-rência ou mesmo a paralização do processo.Dessa forma, os medidores que utilizam radia-ções podem ser usados para indicação e con-trole de materiais de manuseio extremamentedifícil e corrosivos, abrasivos, muito quentes,sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

O sistema de medição por raios gamasconsiste em uma fonte emissora e um conta-dor gyger, (que transforma a radiação Gamarecebida em um sinal elétrico de corrente con-tínua) ambos montados verticalmente na late-ral do tanque. Como a transmissão dos raios éinversamente proporcional a altura do líquidodo tanque, a radiação dos raios é inversamen-te proporcional ao nível do líquido do tanque,já que o material bloquearia parte da energiaemitida.

Medição de Nível por CapacitânciaA capacitância é uma grandeza elétrica que

existe entre duas superfícies condutoras isola-das entre si.

O medidor de nível capacitivo mede ascapacidades do capacitor formado pelo eletro-do submergido no líquido em relação as pare-des do tanque. A capacidade do conjunto de-pende do nível do líquido.

O elemento sensor, geralmente, é uma has-te ou cabo flexível de metal. Em líquidos nãocondutores o eletrodo é isolado normalmentecom teflon. À medida que o nível do tanquefor aumentado, o valor da capacitância aumen-ta progressivamente.

Medição de Nível por Ultra somO ultra-som é uma onda sonora, cuja fre-

qüência de oscilação é maior que aquela sensí-vel pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz.

A geração ocorre quando uma força ex-terna excita as moléculas de um meio elásti-co, e esta excitação é transferida de moléculaà molécula do meio, com uma velocidade quedepende da elasticidade e inércia das mesmas.A propagação do ultra-som depende portanto,do meio (sólido, líquido ou gasoso). Assimsendo, a velocidade do som é a base para amedição através da técnica de eco, usada nosdispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elé-trica de materiais piezoelétricos. A caracterís-tica marcante dos materiais piezoelétricos é aprodução de uma freqüência quando uma ten-são elétrica é aplicada. Assim, eles podem ser

A capacitância é convertida por um cir-cuito eletrônico em uma corrente elétrica e estesinal é indicado em um medidor.

A medição de nível por capacitância tam-bém pode ser feita sem contato, através de son-das de proximidade. A sonda consiste em umdisco compondo uma das placas do capacitor.A outra placa é a própria superfície do produ-to ou a base do tanque.

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Medição de nível descontínua por condutividade.

provocados por gases, pó, e espuma entre asuperfície e o detector, porém possui um cus-to relativo alto.

7.2.3 Medição de Nível DescontínuaSão empregados para fornecer indicação

apenas quando o nível atinge certos pontos de-sejados, como por exemplo em sistemas dealarme de segurança de nível alto ou baixo.

Nos líquidos que conduzem eletricidade,podem ser mergulhados eletrodos metálicos decomprimento diferente. Quando houver con-dução entre os eletrodos, tem-se a indicaçãode que o nível atingiu a altura do último ele-trodo alcançado pelo líquido.

Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma simples bóiaacoplada a contatos elétricos até sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, diferen-ciando-se pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais, instalação e custo.

usados como geradores de ulta-som, compon-do, portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma for-ça em um material piezoelétrico, ou seja, quan-do este recebe um sinal e freqüência, resulta oaparecimento de uma tensão elétrica em seuterminal. Nesta modalidade, o material piezo-elétrico é usado como receptor do ultra-som.

Os dispositivos do tipo ultra-sônico po-dem ser usados tanto na detecção contínua denível como na descontínua.

Os dispositivos destinados à detecção con-tínua de nível caracterizam-se, principalmen-te, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdu-tores podem encontrar-se totalmente submer-sos no produto, ou instalados no topo do equi-pamento sem contato com o produto.

Medição de Nível por RadarPossui uma antena cônica que emite im-

pulsos eletromagnéticos de alta freqüência àsuperfície a ser detectada. A distância entre aantena e a superfície a ser medida será, então,calculada em função do tempo de atraso entrea emissão e a recepção do sinal.

Esta técnica pode ser aplicada com suces-so na medição de nível por ser imune a efeitos

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7.2.4 Medição e Nível de SólidosÉ necessário medir o nível dos sólidos,

geralmente, em forma de pó ou grãos, em si-los, alto-fornos, etc., pelos mesmos motivosda medição de nível dos líquidos. Esta medi-ção é comumente feita por dispositivos eleto-mecânicos, colocando-se uma sonda sobre acarga ou conteúdo. O cabo da sonda movimen-ta um transdutor eletromecânico, que envia umsinal para um indicador, cuja escala é gradua-da para nível. Essa técnica, apesar de simples,tem como desvantagem a grande incidência demanutenção, tornando-a inviável em muitoscasos.

Outros medidores, como os radioativos,capacitivos, ultrassônicos, radares e sistemasde pesagem com células de carga, podem serutilizados com bastante eficiência e precisão,apesar de possuírem, em alguns casos, o custoelevado.

Atualmente, existe uma grande disponi-bilidade de tecnologias que podem ser aplica-das na medição e monitoração de nível.

Em algumas aplicações, cujo grau de ris-co é elevado, as normas específicas apontampara um sistema de intertravamento com senso-res de posição, redundância no elemento secun-dário etc, como observado na figura abaixo.

Anotações

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8Mediçãode Temperatura

8.1 IntroduçãoO objetivo de se medir e controlar as di-

versas variáveis físicas em processos indus-triais é obter produtos de alta qualidade, commelhores condições de rendimento e seguran-ça, a custos compatíveis com as necessidadesdo mercado consumidor.

Nos diversos segmentos de mercado, se-jam eles químico, petroquímico, siderúrgico,cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício,papel e celulose, hidrelétrico nuclear entre outros,a monitoração da variável temperatura é fun-damental para a obtenção do produto final es-pecificado.

Termometria significa “Medição de Tem-peratura”. Eventualmente o termo Pirometriaé também aplicado com o mesmo significado,porém, baseando-se na etimologia das pala-vras, podemos definir:

Pirometria: Medição de altas temperatu-ras, na faixa em que os efeitos de radiação tér-mica passam a se manifestar.

Criometria: Medição de baixas tempera-turas, ou seja, próximas ao zero absoluto detempeatura.

Termometria: Termo mais abrangente queincluiria tanto a Pirometria quanto a Criometria.

8.2 Temperatura e calorTodas as substâncias são constituídas de

moléculas, que se encontram em contínuomovimento. Quanto mais rápido o movimen-to das moléculas, mais quente apresenta-se ocorpo e quanto, mais lento o movimento dasmoléculas, mais frio apresenta-se o corpo.

Então define-se temperatura como o graude agitação térmica das moléculas. Na práti-ca, a temperatura é representada em uma es-cala numérica, onde quanto maior o seu valor,maior é a energia cinética média dos átomosdo corpo em questão.

Outros conceitos que se confundem àsvezes com o de temperatura são energia tér-mica e calor.

A energia térmica de um corpo é a soma-tória das energias cinéticas dos seus átomos, ealém de depender da temperatura, dependetambém da massa e do tipo de substância.

Calor é energia em trânsito ou a forma deenergia que é transferida através da fronteirade um sistema em virtude da diferença de tem-peratura.

A literatura, geralmente, reconhece trêsmeios distintos de transmissão de calor: con-dução, radiação e convecção.

Até o final do século XVI, quando foi de-senvolvido o primeiro dispositivo para avaliartemperatura, os sentidos do nosso corpo fo-ram os únicos elementos de que dispunhamos homens para dizer se um certo corpo esta-va mais quente ou frio do que um outro, ape-sar da inadequação destes sentidos sob o pon-to de vista científico.

Neste termômetro, o líquido preenche todoo recipiente e sob o efeito de um aumento detemperatura dilata-se, deformando um elemen-to extensível (sensor volumétrico).

Termômetros de dilatação de líquido em recipiente metálico.

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O termômetro bimetálico consiste em duaslâminas de metais com coeficientes de dilata-ção diferentes, sobrepostas, formando uma sópeça. Variando-se a temperatura do conjunto,observa-se um encurvamento que é proporcio-nal a temperatura.

Na prática, a lâmina bimetálica é enrola-da em forma de espiral ou hélice, o que au-menta bastante a sensibilidade.

O termômetro mais usado é o de lâminahelicoidal, e consiste em um tubo condutor decalor, no interior do qual é fixado um eixo,que, por sua vez, recebe um ponteiro que sedesloca sobre uma escala.

Normalmente, usa-se o invar (aço com64% Fe e 36% Ni) com baixo coeficiente dedilatação e o latão como metal de alto coeficien-te de dilatação.

A faixa de trabalho dos termômetrosbimetálicos vai aproximadamente de –50 a800°C, sendo sua escala bastante linear. Pos-sui exatidão na ordem de ± 1%.

8.2.1 Medição de temperatura com TermoparUm termopar consiste de dois condutores

metálicos, de natureza distinta, na forma demetais puros ou de ligas homogêneas. Os fiossão soldados em um extremo do qual se dá onome de junta quente ou junta de medição. Aoutra extremidade dos fios é levada ao instru-mento de medição de f.e.m. (força eletromo-triz), fechando um circuito por onde flui a cor-rente.

O ponto onde os fios que formam o ter-mopar se conectam ao instrumento de medi-ção é chamado de junta fria ou de referência.

O aquecimento da junção de dois metaisgera o aparecimento de uma f.e.m. (força ele-tromotriz). Este princípio conhecido por efei-to Seebeck propiciou a utilização de termo-pares para a medição de temperatura. Nas apli-cações práticas o termopar apresenta-se, nor-malmente, conforme a figura acima.

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57

O sinal de f.e.m. gerado pelos gradientesde temperatura (DT) existente entre as juntasquente e fria, será de um modo geral indicado,registrado ou transmitido.

8.3 Efeitos termoelétricosQuando dois metais ou semicondutores

dissemilares são colocados e as junçõesmantidas a diferentes temperaturas, quatro fe-nômenos ocorrem simultaneamente: o efeitoSeebeck, o efeito Peltier, o efeito Thompson eo efeito Volta.

A aplicação científica e tecnológica dosefeitos termoelétricos é muito importante esuas utilizações no futuro são cada vez maispromissoras. Os estudos das propriedades ter-moelétricas dos semicondutores e dos metaislevam, na prática, à aplicação dos processosde medições na geração de energia elétrica (ba-teria solar) e na produção de calor e frio. Ocontrole de temperatura feito por pares ter-moelétricos é uma das importantes aplicaçõesdo efeito Seebeck.

Atualmente, busca-se o aproveitamentoindustrial do efeito de Peltier, em grande es-cala, para obtenção de calor ou frio no proces-so de climatização ambiente.

8.3.1 Efeito termoelético de SeebeckO fenômeno da termoeletricidade foi des-

coberto em 1821 por T.J Seebeck quando elenotou que em um circuito fechado, formadopor dois condutores diferentes A e B, ocorreuma circulação de corrente enquanto existiruma diferença de temperatura DT entre as suasjunções. Denomina-se a junta de medição deTm, e a outra, junta de referência de Tr. A exis-tência de uma f.e.m. térmica AB no circuito éconhecida como efeito Seebeck. Quando atemperatura da junta de referência é mantidaconstate, verifica-se que a f.e.m. térmica é umafunção da temperatura Tm da junção de teste.Este fato permite utilizar um par termoelétri-co como um termômetro.

colocados para formar duas junções e estas sãomantidas a diferentes temperaturas, a difusãodos elétrons nas junções produz-se a ritmosdiferentes.

8.3.2 Efeito termoelétrico de PeltierEm 1834, Peltier descobriu que, dado um

par termoelétrico com ambas as junções àmesma temperatura se , mediante uma bateriaexterior, produz-se uma corrente no termopar,as temperaturas da junção variam enquantoquantidade não inteiramente devida ao efeitoJoule. Esta variação adicional de temperaturaé o efeito Peltier. O efeito Peltier produz-setanto pela corrente proporcionada por umabateria exterior como pelo próprio par termo-elétrico.

O efeito Seebeck produz-se pelo fato deque os elétrons livres de um metal difere deum condutor para outro e depende da tempe-ratura. Quando dois condutores diferentes são

O coeficiente Pelteir depende da tempe-ratura e dos metais que formam uma junção,sendo independente da temperatura da outrajunção. O calor Pletier é reversível. Quandose inverte o sentido da corrente, permanecen-do constante o seu valor, o calor Peltier é omesmo, porém em sentido oposto.

8.3.3 Efeito termoelétrico de ThomsonEm 1854, Thomson conclui, através das

leis da termodinâmica, que a condução de ca-lor, ao logo dos fios metálicos e um par ter-moelétrico, que não transporta corrente, origi-na uma distribuição uniforme de temperaturaem cada fio.

Quando existe corrente, modifica-se emcada fio a distribuição de temperatura em umaquantidade não inteiramente devida ao efeitoJoule. Essa variação adicional na distribuiçãoda temperatura denomina-se efeito Thompson.

O efeito Thomson depende do metal deque é feito o fio e da temperatura média dapequena região considerada. Em certos metaishá absorção de calor, quando uma corrente elé-trica flui da parte fria para a parte quente dometal e que há geração de calor quando se in-verte o sentido da corrente. Em outros metais,ocorre o oposto deste efeito, isto é, há libera-ção de calor quando uma corrente elétrica flui

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Page 52: 2. Transmissao e Transmissores

da parte quente para a parte fria do metal. Con-clui-se que, com a circulação de corrente aolongo de um fio condutor, a distribuição detemperatura neste condutor será modificada,tanto pelo calor dissipado por efeito Joulecomo pelo efeito Thomson.

8.3.4 Efeito termoelétrico de VoltaA 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 enteeles uma diferença e potencial que pode ser daordem de Volts”.

Esta diferença de potencial depende da tem-peratura e não pode ser medida diretamente.

Leis TermoelétricasDesde a descoberta dos efeitos termoelé-

tricos, partiu-se da aplicação dos princípios datermodinâmica e enunciação das três leis queconstituem a base da teoria termoelétrica nasmedições de temperatura com termopares. Emsíntese, estas leis, permitem a compreensão detodos os fenômenos que ocorrem na medidade temperatura com estes sensores.

Lei do circuito homogêneo“A f.e.m. termal, desenvolvida em um cir-

cuito termoelétrico de dois metais diferentes,com suas junções expostas às temperaturas T1e T2, é independente do gradiente de tempera-tura e de sua distribuição ao longo dos fios”.Em outras palavras, a f.e.m. medida parecefunção única e exclusiva da composição quí-mica dos dois metais e das temperaturas exis-tentes nas junções.

Um exemplo de aplicação prática desta leié que podemos ter uma grande variação de tem-peratura em um ponto qualquer, ao longo dosfios dos termopares, que esta não influirá naf.e.m. produzida pela diferença de temperatu-ra entre as juntas, portanto, pode-se fazer me-didas de temperaturas em pontos bem defini-dos com os termopares, pois o importante, é adiferença de temperaturas entre as juntas.

Lei dos Metais“A soma algébrica das f.e.m. termais em

um circuito composto de um número qualquerde metais diferentes é zero, se todo o circuitoestiver a mesma temperatura”. Deduz-se daíque um circuito termoelétrico, composto dedois metais diferentes, a f.e.m. produzida nãoserá alterada ao inserirmos, em qualquer pon-to do circuito, um metal genérico, desde queas novas junções sejam mantidas a temperatu-ras iguais.

8.4 Medição de temperatura por termo-resistência

Os métodos de utilização de resistênciaspara medição de temperaturas iniciaram-se aoredor de 1835, com Faraday, porém só houvecondições destas serem utilizadas em proces-sos industriais a partir de 1925.

Esses sensores adquiriram espaço nos pro-cessos industriais por suas condições de altaestabilidade mecânica e térmica, resistência àcontaminação, baixo índice de desvio peloenvelhecimento e tempo de uso.

Devido a estas características, esse sensoré padrão internacional para a medição de tem-peratura na faixa de –270 °C a 660 °C, em seumodelo e laboratório.

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8.4.1 Princípio de FuncionamentoOs bulbos de resistência são sensores que

se baseiam no princípio de variação e resis-tência em função da temperatura. Os materiaismais utilizados para a fabricação destes tiposde sensores são platina, cobre ou níquel, me-tais que apresentam características de:

a) alta resistividade, permitindo assim umamelhor sensibilidade do sensor,

b) ter alto coeficiente de variação de re-sistência com a temperatura,

c) ter rigidez e ductilidade para ser trans-formado em fios finos.

A equação que rege o fenômeno é a se-guinte:

Para faixa de –200 a 0°C:

Rt = R0 . [1 + A . T + B . T2 + C . T3 . (T – 100)]

Para faixa de 0 a 850 °C:

Rt = R0 . [1 + A T + B . T2]

Onde:Rt = resistência na temperatura T (Ω)R0 = resistência a 0°C (Ω)T = temperatura (°C)A . B . C = coeficientes inerentes do ma-

terial empregadoA = 3,90802 . 10–3

B = –5, 802.10–7

C = –4,2735 . 10–12

O número que expressa a variação de re-sistência em função da temperatura é chamadode alfa (α) e se relaciona da seguinte forma:

1 0

0

R R100 . R

∞ −α =

8.4.2 Características da termo-resistência deplatina

As termorresistências Pt – 100 são as maisutilizadas industrialmente, devido à sua gran-de estabilidade, larga faixa de utilização e altaprecisão. Devido à alta estabilidade das ter-morresistências de platina, as mesmas são uti-lizadas como padrão de temperatura na faixade –270°C a 660°C. A estabilidade é um fatorde grande importância na indústria, pois é acapacidade do sensor manter e reproduzir suascaracterísticas (resistência – temperatura) den-tro da faixa específica de operação.

Outro fator importante num sensor Pt –100é a repetibilidade, que é a característica deconfiabilidade da termorresistência. Repetibi-lidade deve ser medida com leitura de tempe-raturas consecutivas, verificando-se a variaçãoencontrada quando de medição novamente namesma temperatura.

O tempo de resposta é importante emaplicações onde a temperatura do meio emque se realiza a medição está sujeito a mu-danças bruscas.

Considera-se constante de tempo comotempo necessário para o sensor reagir a umamudança de temperatura e atingir 63,2% davariação da temperatura.

Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico comuma extremidade fechada e preenchido todos os espaços com óxido de magnésio, permitindouma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feitacom fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si, sendo a extremidade aberta, selada comresina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar.

Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade e res-posta.

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8.4.3 Radiômetro ou Pirômetro de radiaçãoOs radiômetros (ou pirômetros de radia-

ção) operam, essencialmente, segundo a lei deStefan-Boltzmann. São os sistemas mais sim-ples, pois neles a radiação é coletada por umarranjo óptico fixo e dirigida a um detetor dotipo termopilha (associação em série – ver fi-gura abaixo) ou do tipo semicondutor nos maismodernos, onde gera um sinal elétrico no casoda termopilha ou altera o sinal elétrico no casodo semicondutor.

Como não possuem mecanismo de varre-dura próprio, o deslocamento do campo devisão instantâneo é realizado pela movimen-tação do instrumento como um todo. Osradiômetros são, em geral, portáteis, mas po-dem ser empregados também no controle deprocessos a partir de montagens mecânicas,fixas ou móveis.

Graças à utilização de microprocessado-res, os resultados das medições podem sermemorizadas para o cálculo de temperatura eseleção de valores.

A apresentação dos resultados é, normal-mente, feita través de mostradores analógicose digitais, podendo ainda ser impressa em pa-pel ou gravada em fita magnética para poste-rior análise. Alguns radiômetros são direta-mente conectados com unidades de controleou registradores através de interface analógica/digital.

Vantagens:a) Possuem maior precisão dentro da fai-

xa de utilização do que outros tipos desensores;

b) Com ligação adequada, não existe li-mitação para distância de operação;

c) Dispensam utilização de fiação espe-cial para ligação;

d) Se adequadamente protegidos, permi-tem utilização em qualquer ambiente;

e) Têm boas características de reproduti-bilidade;

f) Em alguns casos, substituem o termo-par com grande vantagem.

Desvantagens:a) São mais caras do que os sensores uti-

lizados nessa mesma faixa;b) Deterioram-se com mais facilidade,

caso haja excesso na sua temperaturamáxima de utilização;

c) Temperatura máxima de utilização630°C;

d) É necessário que todo o corpo do bul-bo esteja com a temperatura equilibra-da para indicar corretamente;

e) Alto tempo de resposta.

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61

9AnalisadoresIndustriais

9.1 IntroduçãoOs sistemas de análise de gases industri-

ais englobam, geralmente, os seguintes ele-mentos:

9.2 Instrumentos de análise ou analisadorEquipamento relativamente sofisticado, de

operação automática e independente, que tema finalidade de medir uma ou mais caracterís-tica de uma amostra do processo que por elefluem.

9.3 Sistema de amostragemEquipamento pouco sofisticado de opera-

ção automática, com a finalidade de retirarcontinuamente do processo, amostras, envian-do-as, após preparação, ao analisador. Os ana-lisadores são constituídos, geralmente, demodo a receberem uma amostra dentro de cer-tas condições padronizadas de pressão, tem-peratura, umidade, poeira e corrosividade.

As condições do gás, dentro do processo,fogem, geralmente, dos padrões estabelecidospara o analisador.

O sistema de amostragem age como elode ligação entre o processo e o analisador,transformando uma amostra, inicialmente im-própria para análise, em uma amostra repre-sentativa e perfeitamente mensurável.

Devido à infinidade de processos existen-tes nas indústrias, existe, conseqüentemente,uma variedade de sistemas de amostragem,cada qual adaptada às condições peculiares daamostra a ser analisada.

Normalmente, existe uma tendência derelegar a um plano secundário de importân-cia, o sistema de amostragem, durante a insta-lação do analisador. Este fato implica na exis-tência de uma série de problemas que são atri-buídas aos analisadores e, na verdade, são pro-venientes da aplicação inadequada do sistemade amostragem.

O sucesso da operação de um sistema deanálise, no seu todo, está na operação adequada

e perfeita do sistema de amostragem e do ana-lisador. O sistema de amostragem deve forne-cer continuamente ao analisador, uma amos-tra limpa e representativa, no tocante as carac-terísticas a serem analisadas.

9.3.1 CaptaçãoA captação de uma amostra representati-

va é um fator fundamental na precisão geralda medição. A expressão “amostra represen-tativa”, refere-se a característica em medição,como a concentração de um componente, adensidade, viscosidade, capacidade, etc. Ascaracterísticas não analisadas podem ser altera-das, desde que não afetem a variável medida.

O problema principal de captação de amos-tra aparece nos processos em que existe hete-rogeneidade com relação ao elemento em aná-lise. É o caso da medição do oxigênio residualnas chaminés, ou de outros gases queimadosnos processos de combustão. A Figura a se-guir, mostra um corte efetuado em um duto degases queimados de uma caldeira. Observam-se as diferentes concentrações de oxigênio, deacordo com o local considerado.

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Page 56: 2. Transmissao e Transmissores

Duto de gases queimado em uma caldeira.

Estas diferenças são provocadas, princi-palmente, pelas baixas velocidades existentesno interior do duto, permitindo a estratificaçãodo gás junto às paredes, onde as velocidadesatingem valores muito baixos. As diferençasde densidade e entrada de ar também contri-buem para a heterogenização do fluxo gasoso.

A captação de uma amostra representati-va, nestas condições, e bastante difícil. A so-

Seção A - A

lução mais simples seria localizar, no proces-so, um ponto onde houvesse uma homogenei-zação natural provocada por algum elementointerno, como um ventilador, válvula de con-trole, placa de orifício, etc.

A solução ideal, sob o ponto de vista téc-nico é o sistema de amostragem múltipla, queconsiste em retirar do processo várias amos-tras em pontos diferentes e promover um mis-tura homogênea entre elas, de forma a obteruma média aproximada, das condições do pro-cesso.

9.4 Funções de um sistema de amostragemUm sistema de amostragem deve, geral-

mente, cumprir as seguintes funções:a) Captar, dentro do processo, uma amos-

tra que seja representativa.b) Transportar rapidamente a amostra, do

ponto de coleta ao analisador.c) Permitir a entrada de gases-padrão para

aferição e pontos de coleta de amostrapara análise externa.

d) Transportar a amostra do analisadorpara o ponto de descarga.

e) Adequar a amostra as condições detemperatura, pressão, umidade, corro-sividade e concentração de poeira e dequalquer outra variável para a qual oanalisador foi projetado.

A Figura seguinte representa esquematicamente as funções abaixo relacionadas.

Sistema de amostragem.

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9.4.1 Captação de AmostraO sistema de captação da amostra, no in-

terior do processo, deve satisfazer algumascondições básicas:

a) Retirar do processo uma mostra querepresenta, realmente, as condições mé-dias do componente ou característica aser analisada.

b) Promover um precondicionamento daamostra, a fim de proteger o sistemade transporte da mesma, ao analisador.

O sistema de amostragem múltipla podeser executado de duas maneiras:

a) Por meio de uma única sonda que pos-sui vários pontos de captação (Figuraabaixo).

Sonda de captação múltipla.

Este sistema possui, como vantagem, asimplicidade de construção. Sua desvantagemestá na falta de controle sobre as vazões deentrada em cada orifício, o que comprometeráa média final. (Figura abaixo).

Sistema de captação de sondas múltiplas.

A amostra é captada em dois ou mais pon-tos, individualmente, e misturada em um sis-tema que permite medir a vazão de cada son-da. Apesar de mais complexo, este processosde captação de amostra fornece ao analisadorum gás, com características próximas às damédia existente no processo, deve-se ter o cui-dado com impurezas nas amostras que venhama obstruir os medidores de vazão ou válvulas.

9.5 Transporte de amostraA amostra captada pela sonda, deve ser

transportada por meio de tubos até o analisa-dor, sem sofrer alteração na característica a seranalisada.

A distância entre o ponto de amostrageme o analisador deve ser o menor possível, demodo a reduzir o tempo de resposta do instru-mento a um mínimo. Normalmente, é trans-portada uma quantidade de amostra superioràs necessidades do analisador a fim de dimi-nuir o tempo de resposta. O excesso é desvia-do para a atmosfera, próxima ao analisador.

O diâmetro da linha deve ser escolhido demodo a não introduzir grandes perdas de cargae reduzir o volume a um mínimo. Os valoresusuais estão compreendidos entre 1/4'' e 1/2''.

O material da linha deve ser compatívelcom a temperatura, a pressão e corrosividadeda amostra, além de suportar as condições ex-ternas ao longo de seu percurso. O aço inoxi-dável tipo 316 é o material mais usado, sen-do, também, utilizados outros materiais como:cobre, aço carbono galvanizado e PVC. A li-nha de amostragem deve se estanque, a fimde evitar vazamentos ou infiltrações de ar, nocaso de baixas pressões.

9.5.1 TemperaturaO condicionamento da temperatura é dos

mais fáceis. Por meio de aquecedores ou res-friadores de operação simples, consegue-semanter esta variável, dentro da faixa requisi-tada pelo analisador.

O analisador possui, normalmente, um sis-tema de aquecimento interno, que mantém acélula de análise e amostra, em uma tempera-tura constante e acima da do ambiente. Os va-lores habituais variam entre 40 e 70°C.

Amostras com temperaturas entre 0 – 40°C,geralmente, não interferem na operação doanalisador.

Quando a amostra apresenta-se com tem-peratura elevada, a própria sonda a reduz aonível da temperatura do ambiente, através derefrigeração interna com água ou com “spray”,também de água, injetado diretamente naamostra.

Caso a amostra seja captada sem refrige-ração, a própria linha de transporte encarre-ga-se de reduzir a temperatura a um nível ade-quado. Pode ser usado, também, um resfriadorcom água, em um ponto qualquer entre a cap-tação e o analisador (Figura a seguir).

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Quando a amostra apresenta-se com tem-peratura baixa em relação à faixa de analisa-dor o que é raro acontecer nas indústrias, po-dem ser usados aquecedores elétricos ou a va-por, caso a linha de amostragem não seja sufi-ciente para elevar a temperatura dentro da fai-xa ideal.

Amostras secasAs amostras com ponto de orvalho inferior

a temperatura ambiente, não requerem nenhumcondicionamento prévio. Alguns analisadores,entretanto, saturam a amostra da análise, a fimde fixar esta variável. A figura abaixo mostraum saturador de amostra.

A saturação é conseguida por meio de bor-bulhamento do gás, na água destilada. Se atemperatura do saturador permanecer constan-te, o teor umidade será fixo também.

Amostras úmidasAs amostras, com ponto de orvalho supe-

rior a temperatura ambiente, causam transtornos,devido às condensações ao longo da linha detransporte, nos filtros e, eventualmente, nopróprio analisador. Estas condensações inter-ferem na movimentação da amostra, causan-do, inclusive, entupimento no sistema e danosno analisador.

A umidade pode ser reduzida por meiosfísicos ou químicos:

Secadores por processos físicosSão os resfriadores de gás e filtros de ad-

sorção:a) Resfriadores de gás:

Promovem um abaixamento na tempe-ratura do gás até cerca de 5°C, conden-sando, desta forma, uma quantidade deágua equivalente entre as umidadesabsolutas nas temperaturas de entradae saída.

Este resfriamento pode ser feito de váriosmodos:

Refrigerador de compressorO gás é refrigerado por meio da evapora-

ção de um fluido do tipo “FREON”, em umtrocador de calor. O ciclo é mantido por meiode um compressor acionado por um motor elétrico.

Refrigerador a efeito PeltierO efeito Peltier é o inverso do efeito “SE-

EBECK”, que rege o funcionamento dos ter-mopares. Se no circuito formado por dois me-tais diferentes for aplicada uma fonte de ten-são contínua, circula uma corrente, que pro-vocara o aquecimento de uma das junções e oresfriamento da outra. Dissipando-se o calorgerado na junta quente, a junta fria pode serutilizada para abaixar a temperatura do gás.(Figura abaixo)

Refrigerador de amostra a efeito Peltier.

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Nota:Normalmente, um abaixamento na tempe-

ratura do gás, na ordem de 5°C, em relação aambiente, é suficiente para evitar condensa-ções. Se existir algum fluido, água, por exem-plo, com temperatura nesta faixa, basta um tro-cador de calor para se obter o resfriamentonecessário.

Refrigerador a efeito VortexO ar comprimido, ao ser introduzido tan-

gencialmente no interior de uma câmara cilín-drica, cria regiões de temperatura diferentes,devido ao efeito de turbilhamento ou “VOR-TEX” gerado pelo movimento do ar. Na su-perfície da câmara, a temperatura se elevaenquanto que na região central ocorre um abai-xamento de temperatura, a um valor entre 1 e5°C. (Figura abaixo).

9.5.2 Filtro de adsorçãoA adsorção é um fenômeno que consiste

na condensação da área superficial de algu-mas substâncias especiais.

O filtro de adsorção consiste em uma câ-mara, geralmente de forma cilíndrica, cheiade material absorvente de umidade. O pontode orvalho de um vapor, em presença destassubstâncias, é bem inferior ao existente empresença do líquido do próprio vapor (Figuraabaixo).

Secador por absorção.

As substâncias mais usadas são:– Alumina ativada;– Sílica gel.Este tipo de secagem pode alcançar valo-

res muito baixos de umidade do gás, mas apre-senta os seguintes inconvenientes:

– Pode absorver outros componentes daamostra como CO2 e SO2 apresentan-do, desta forma, um efeito de separa-ção cromatográfica entre os componen-tes da amostra.

– Necessita de regeneração periódica, afim de eliminar a água acumulada.

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10.2 Analisadores de Gases10.2.1 Analisadores de Gases por CondutibilidadeTérmica

O analisador por condutibilidade térmicaé um instrumento analítico industrial, que per-mite determinar a concentração de um gás emuma mistura gasosa.

A condutibilidade térmica de um gás éuma grandeza física específica dele. De modoque, quando uma mistura gasosa for compos-ta de dois componentes, pode-se conhecer aconcentração de cada um dos componentesatravés dessa propriedade.

A idéia de usar a condutibilidade térmicados gases para fins de determinação de umcomponente em uma mistura foi sugerida, pelaprimeira vez, em 1880, por LEON SOMZEE.Entretanto, o primeiro instrumento prático sófoi construído em 1908 pelo físico KOEPSA.Este instrumento determinava a concentraçãodo hidrogênio em uma mistura gasosa. A par-tir desta data, foram desenvolvidos vários ti-pos de analisadores baseados neste princípio,que são atualmente usados largamente paramedição e controle em processos industriais.Esta freqüência deve-se, principalmente, à suasimplicidade de operação que resulta em bai-xo preço e alta confiabilidade operacional.

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A quantidade de calor, Q, que atravessa ocubo na unidade de tempo T, entre as duas su-perfícies, depende dos seguintes fatores:

– diferença de temperatura entre as duassuperfícies: t1 – t2;

– áreas das superfícies S;– distância entre as superfícies – D;– condutibilidade térmica do gás – K.

10.3 Analisadores por absorção de raiosinfravermelhos

O analisador de infravermelho industrialé um instrumento analítico, que permite de-terminar, quantitativamente, em uma misturade dois ou mais gases, um dos componentes.

A análise dos gases pelo método de ab-sorção de raios infravermelhos (doravante será

Espectro de absorção de infravermelho de um gás.

O princípio de medição é específico parao gás a ser analisado, isto é, o instrumento reagi-rá somente quando houver na amostra este gás.

10.3.1 Teoria de funcionamentoInfravermelho

O infravermelho corresponde à região doespectro eletromagnético compreendido entre oscomprimentos de onda de 0,8 µm a 1000 µm, quese situa entre radiações luminosas e as micro-ondas, conforme mostrado na Figura abaixo.

Em virtude da amplitude do intervalo coberto pelo infravermelho, suas propriedades e prin-cipalmente, o modo de interagir com a matéria, muda sensivelmente ao longo de toda a faixa,isto levou à subdivisão do intervalo em três partes:

Condutibilidade Térmica dos gasesConceitoA Figura abaixo representa um cubo cheio

de gás, tendo duas superfícies opostas mantidasem temperaturas diferentes.

designado apenas por infravermelho), utilizao princípio de que as moléculas de um deter-minado gás absorvem o raio infravermelho,conforme Figura abaixo e analisa continua-mente a variação da concentração de um com-ponente específico de uma mistura gasosa.

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Espectro infravermelho.

10.3.2 Princípio de mediçãoA absorção dos raios infravermelhos é efetuada no interior de uma célula provida de janelas

que permitem a passagem de raios infravermelhos e a relação quantitativa entre a absorvidadedo infravermelho pelas moléculas e a quantidade do gás existente numa mistura é dada pelaequação 2.4, apresentada mais a frente.

Espectro de absorçãoQuando um feixe de radiação infravermelha atravessa uma substância gasosa, sofre uma

absorção de energia em certos comprimentos de onda, resultando em um feixe emergente, comenergia inferior a de entrada.

A Figura abaixo representa, graficamente, o fenômeno de absorção seletiva.

Absorção da infravermelho pela água.

Em A, temos representada uma câmara ou célula de análise, que contem um determinadogás ou mistura de gases. Sobre a câmara, incide um feixe de radiação infravermelho de energiatotal E. Ao abandonar a câmara, a energia sofreu um redução em alguns comprimentos de onda,sendo sua energia representada por E2. O gráfico B, representa a distribuição de energia deentrada ao longo da faixa total de comprimentos de onda.

O gráfico B2 representa o mesmo tipo de distribuição onde nota-se, porém, a redução deenergia em alguns comprimentos de onda.

Em C, temos uma comparação entre as energias totais de entrada e saída, E1 e E2, respectiva-mente.

A Figura abaixo, representa a subdivisão.

– Infravermelho próximo: de 0,8 µm a 1,5 µm, com propriedades similares a da luz.– Infravermelho intermediário: de 1,5 µm a 15 µm, faixa esta, onde opera a maioria dos

analisadores industriais.– Infravermelho longínquo: de 15 µm a 100 µm, de aplicação bastante especializada.

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69

A redução da energia radiante, através deuma substância qualquer, obedece a lei deBEER-LAMBERT.

De um modo geral, toda energia radiantedo espectro eletromagnético obedece a esta lei.

E2 = E1 *e–ε(λ) . ρ . λ ................. (2.4)

Em que:E2 = energia emergente da substânciaE1 = energia incidente na substânciae = base dos logarítimos Neperianos

= 2,71828ε(λ) = Fator que depende do comprimen-

to de onda da radiação e do tipode substância.

ρ = densidade do meio absorventeλ = distância percorrida pela radiação

no meio.

Analisando melhor o gráfico B2 da Figuraanterior, observa-se que este representa, noeixo vertical as energias correspondentes acada comprimento de onda (energia espectral),e na horizontal, os comprimentos de onda emµ ou, ainda, os números de onda, grandeza esta,usada preferencialmente em espectroscopia.

10.3.3 Fonte de infravermelhoAs condições necessárias da fonte de luz

do analisador de espectroscopia do infraver-melho para fins industriais são, que o apare-

lho emita o espectro contínuo e que a caracte-rística da onda seja próxima à da radiação deum corpo negro, que seja estável por um pro-longado período e que a variação da luminân-cia seja o mínimo possível. Dentre as diversasfontes que satisfazem as condições acima ci-tadas com relativa facilidade, existem, fontesde infravermelho provenientes de fio metáli-co e de corpos emissores de calor.

10.3.4 CélulaA célula poderá ser feita de aço inoxidá-

vel, de vidro, ou de alumínio e, a parede inter-na da mesma é polida ou acabada por eletro-galvanização, a fim de elevar a refletância doinfravermelho e as extremidades deverão es-tar providas de janelas que permitam a passa-gem do infravermelho.

10.3.5 Tipos de analisadoresOs instrumentos baseados na absorção do

infravermelho podem ser classificados em doisgrandes grupos:

1. analisadores tipo dispersante (espectrô-metro)

2. analisadores tipo não dispersante

Tipo dispersanteO princípio básico de funcionamento dos

analisadores dispersante está representado naFigura abaixo.

Espectrômetro básico.

A radiação infravermelha proveniente dafonte (F), passa através de uma célula, con-tendo a amostra da substância a ser analisada.O feixe transmitido sofre, no prisma (P), umadispersão e o espectro, assim obtido, incide emuma fenda que seleciona uma estreita faixa oubanda de comprimentos de onda, que irá atin-gir o detector de radiação (D).

Atuando sobre os sistemas de dispersão,pode-se fazer uma exploração de todo o es-pectro, tendo como resultado, um gráfico cha-

mado espectrograma, conforme mostram asFiguras de gráficos da página 50 e 52.

Este tipo de analisador é usado em labo-ratórios e sua operação e feita por técnicosespecializados. Pode analisar gases, líquidose sólidos, não havendo, em princípio, neces-sidade de conhecimento prévio dos compo-nentes da amostra a ser analisada, pois o es-tudo do espectrograma fornecido permiteidentificar e quantizar as diversas substânci-as presentes.

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Pelo fato de os analisadores não dispersantes apresentarem uma análise contínua ao longodo tempo, possuem aplicação bastante comum como elementos de monitoria e controle emprocessos industriais, dos mais variados tipos, principalmente, na análise de substância na for-ma gasosa.

Tipo não dispersante.

A fonte do infravermelho (F) emite umfeixe de radiação que passa através da célulade análise, indo incidir no detector (D) semter sofrido nenhuma dispersão.

O sinal recebido pelo detector varia de

Gráfico de um espectrômetro.

Gráfico de analisador contínuo.

acordo com a concentração do gás a ser anali-sado, sendo o resultado, geralmente registra-do em termos percentuais.

Uma diferença a ser observada entre osdois tipos de analisadores é que, no tipo nãodispersante, a amostra flui continuamente atra-vés da célula de análise, fornecendo, ao longodo tempo, a concentração de somente um doscomponentes da amostra, conforme mostra aFigura do gráfico de Analisador Contínuo, en-quanto no espectrômetro, a análise é feita comuma amostra selecionada por vez, sendo, o re-sultado, o espectro de absorção de todos oscomponentes presentes na amostra, conformeFigura do gráfico de um Espectrômetro..

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10.3.6 Analisadores paramagnéticosSão instrumentos que medem a suscetibilidade magnética de uma mistura de gases manten-

do constante sua temperatura.Analisadores QUINCKE – São baseados no efeito QUINCKE, representado na Figura abaixo.

Efeito Ouincke.

Um fluxo de gás diamagnético (N2, Ar) sebifurca e volta a se encontrar em uma câmara,onde circula a amostra. Uma das linhas estasubmetida a um forte campo magnético, pró-ximo a câmara de amostra.

Este campo provocará uma contrapressãona linha, caso a amostra apresente proprieda-des paramagnéticas. A relação entre as pres-sões ou vazões nas duas linhas indicará a sus-cetibilidade magnética do gás em análise.

Os instrumentos fabricados sob este prin-cípio, apresentam suas unidades analisadorasconforme mostra a Figura ao lado. Analisador paramagnético a efeito Quincke.

A amostra a ser analisada circula por uma câmara de forma achatada, com uma vazãoconstante. Um gás auxiliar diamagnético, geralmente nitrogênio, é introduzido nesta câmaraem dois pontos simétricos através de orifícios calibrados idênticos. Um pequeno tubo interli-ga estes dois pontos de injeção de nitrogênio. Um possante imã estabelece um campo magné-tico em um destes pontos de injeção.

No tubo de interligação, existe um medidor sensível a pequenos fluxos de gás, que detectaráqualquer circulação do gás auxiliar.

Funcionamento: supondo que a amostra não contenha gás paramagnético, ocorrerá o se-guinte:

Apostilas Ideal

Page 66: 2. Transmissao e Transmissores

– O campo magnético não introduziránenhuma alteração na distribuição defluxos de dois ramos de nitrogênio. Oinstrumento é ajustado para que as pres-sões nos pontos 1 e 2, sejam iguais, edesta forma, não circulará nenhum ni-trogênio, no tubo de interligação. Aindicação do analisador se estabeleceem zero.

Supondo a presença de um gás paramag-nético na amostra, como o oxigênio, ocorreráo seguinte:

– O Campo magnético estabelecido emum dos ramais, atrairá o gás paramag-nético da amostra para a região de maiordensidade de fluxo magnético.

Esta particularidade provocará um aumen-to de pressão neste ramal, que gerará, um flu-xo de nitrogênio no tubo de ligação. Este flu-xo representará a suscetibilidade magnética daamostra, que por sua vez, é proporcional aconcentração do oxigênio na amostra. Visan-do aumentar a estabilidade da indicação e asensibilidade do instrumento, o campo mag-nético é feito variável por meios mecânicos,de forma a obter um fluxo de nitrogênio pul-sante no tubo de interligação. Um circuito ele-trônico transformará estes pulsos de vazão emsinais elétricos de medição. A medição do flu-xo é geralmente feita por sistema térmico.Neste sistema, conforme a Figura abaixo doistermistores, T1 e T2, aquecidos eletricamente,são colocados a pequena distância um do ou-tro na direção do eixo do tubo por onde circu-la o gás.Os dois termistores são ligados numcircuito em ponte, que detectará qualquer di-ferença de resistência entre eles. A alimenta-ção da ponte mantêm os termistores em umatemperatura acima da ambiente.

Não havendo circulação de gás, as tempe-raturas de T1 e T2 são idênticas e, conseqüen-temente, o instrumento de medição marca zero.

Com circulação de gás da esquerda para adireita, por exemplo, T1 esfria e T2 aquece e aindicação do instrumento será proporcional aofluxo.

Sensor de fluxo térmico.

Considerações gerais sobre o analisador de efeitoQUINCKE

– No caso da amostra não circular no sis-tema de detecção do fluxo, o analisa-dor não é sensível às características físi-cas do gás de amostra, tais como: densi-dade, calor específico, condutibilidadetérmica e viscosidade. Gases corrosivospodem ser analisados com facilidade.

– Os fatores que interferem na precisãodo instrumento são: vazão da amostrae do gás auxiliar, pressão atmosféricae temperatura da amostra. Deste modo,o analisador possui dispositivos paramanter constantes estas grandezas.

– As faixas de medição podem ser ajus-tadas de um mínimo 0% a 2% de oxi-gênio a um máximo de 0% a 100% deoxigênio com ou sem a supressão dezero. No caso de supressão o analisa-dor pode ser ajustado em qualquer fai-xa, para um intervalo mínimo de varia-ção de 2%, como no caso da faixa de98% a 100% de oxigênio. A precisãoda medição é melhor do que ± 2% dovalor medido.

– Outra característica positiva deste tipode analisador é o seu tempo de respos-ta extremamente curto, geralmente: in-ferior a 1 segundo.

– Como desvantagem, poda ser citada, ainfluencia de posição do instrumento,na precisão de medição do mesmo.

Analisadores Termoparamagnéticos ou analisado-res termomagnéticos

São instrumentos baseados na diminuiçãoda suscetibilidade magnética com o aumentode temperatura.

A combinação apropriada de um gradien-te de temperatura e um campo magnético nãouniforme cria um fluxo gasoso proporcional asuscetibilidade do gás, chamado vento mag-nético (Figura a seguir).

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Page 67: 2. Transmissao e Transmissores

73

Vento magnético.

Analisador termomagnético convectivo básico.

A intensidade do vento magnético repre-senta a suscetibilidade magnética do gás ou aconcentração do oxigênio, quando o mesmoestiver na amostra. Os analisadores termomag-néticos podem ser de dois tipos:

– Analisador tipo convectivo: a Figuraabaixo mostra o princípio básico desteanalisador.

Um filamento aquecido eletricamente, nointerior de uma câmara, gera correntes de con-vecção térmica do gás, que não será afetadopela ação do campo magnético aplicado (se aamostra não possuir algum componente para-magnético).

Ao circular um gás paramagnético na cé-lula, será acrescentada à convecção térmica,uma outra, do tipo paramagnética, que é o ven-to magnético. Estes fluxos gasosos reduzirãoa temperatura do filamento, e conseqüente-mente, a sua resistência elétrica.

O valor desta resistência, medido, repre-sentará, a suscetibilidade magnética do gás.

Analisador termomagnético convectivo.

As células de análise usadas nos instru-mentos desta classe, variam consideravelmentena sua forma física, disposição em relação aofluxo de amostra e número de elementos sen-sores.

A Figura abaixo mostra um tipo de célulade análise, genérico:

Comparando com o sistema básico, men-cionado anteriormente, nota-se o acréscimodos seguintes elementos:

– uma célula de referência ou compa-ração;

– um sistema para medir as variações deresistências, relativas às duas células.

Funcionamento:A Figura a seguir mostra duas células, A

e B, contendo, cada uma, filamentos idênticosmantidos em uma temperatura superior à dasparedes da célula, por meio de uma fonte dealimentação, E.

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Page 68: 2. Transmissao e Transmissores

Células idênticas sem campo magnético.

Os dois filamentos, Fa e Fb, estão ligadosem uma ponte de “WHEATSTONE”, quemede as diferenças de resistência entre osmesmos. Estas diferenças são indicadas noamperímetro 1.

Os filamentos geram uma quantidade fixade calor, por meio da ponte E, e perdem partedeste calor para o ambiente, por meio de con-dução, radiação e convecção. Devido a igual-dade geométrica e elétrica entre as duas célu-las, as temperaturas dos dois filamentos seráidêntica, independentemente da composição ecaracterística física do gás de amostra cir-culante. A presença de gás paramagnético,como o oxigênio, também não interferem noequilíbrio térmico existente, devido à ausên-cia de campos magnéticos.

As setas no interior das células represen-tam as correntes convectivas, estabelecidaspelos filamentos aquecidos. O gás, aquecidopelo filamento, diminui sua densidade e sobeaté encontrar as paredes mais frias da célula,onde se resfria e desce, sendo introduzido nacorrente de ascensão. Desta forma, o calor é trans-portado do filamento para as paredes da célula.

A Figura acima mostra as mesmas célulasda figura anterior, porém, foi introduzido umimã, que estabelece um forte campo magnéti-co na célula A, de medição.

No caso do gás circulante não ter proprie-dades paramagnéticas, como ocorre na maio-ria dos gases industriais, não haverá nenhumaperturbação sensível com a introdução do cam-po magnético. A fonte de medição permane-cerá equilibrada e o amperímetro não indicaraa passagem de corrente elétrica, indicando,deste modo, zero.

Células Eletroquímicas.

b) Célula eletroquímica eletrolítica: éaquela ligada a uma fonte de energiaelétrica externa que força a passagemde corrente elétrica através da célula(Figura abaixo).

rados por um meio condutor adequado, líqui-do ou sólido, denominado eletrólito. A célulaeletroquímica pode ser classificada em:

a) Célula eletroquímica galvânica ou vol-taica: é aquela que transforma energiaquímica do sistema eletrodo/eletrólitoem energia elétrica (Figura abaixo).

c) A aplicação da célula eletroquímica naanálise de gases, especificamente dogás oxigênio, baseia-se no fato de queesse gás, ao entrar em contato com oeletrólito da célula, reage quimicamen-te com este, de uma forma previsível edefinida, permitindo estabelecer umarelação entre sua concentração e uma

10.4 Analisador de Oxi-Zircônia10.4.1 Introdução

A célula eletroquímica constitui-se, basi-camente, de dois eletrodos imersos ou sepa-

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Page 69: 2. Transmissao e Transmissores

75

Escolheu-se o valor da concentração doíon hidrogênio para identificar os meios áci-do, básico e neutro. Assim, temos:

[H+] > 7 meio ácido[H+] = 7 meio neutro[H+] > 7 meio básico ou alcalino

A fim de evitar o trabalho com potênciasde expoente negativo, adota-se um símbolocapaz de facilitar a identificação dos diferen-tes meios. Por proposta de SORENSEN (físi-co-químico sueco) foi aceito o símbolo pH(potencial hidrogeniônico). Logo:

pH = log 1[H ]+

OupH colog [H+]

Desse modo:pH < 7 meio ácidopH = 7 meio neutropH > 7 meio alcalino

Analogamente, têm-se pOH = log 1/ [OH]

claro que pH + pOH = 14

Limites do pH:Os valores do pH encontram-se distribuí-

dos entre zero e 14. O ponto 7 indica o meioneutro; entre zero e 7 encontra-se a faixa áci-da e de 7 a 14 a faixa alcalina.

Assim:

O diagrama acima nos mostra que quantomaior for a acidez maior é a concentração doíon hidrogênio e menor o pH.

O inverso se passa com a alcalinidade.No caso do método de eletrodo de vidro,

calcula-se através de comparação com um lí-quido padrão.

10.5.2 Medição de pH através do eletrodo devidro

Conforme indica a Figura a seguir, mer-gulha-se o eletrodo de vidro D no líquido depH desconhecido. No interior deste coloca-sea solução “B” que possui pH diferente ao dolíquido desconhecido “A”. Neste caso surgirá umadiferença de potencial proporcional a diferença depH, entre estes dois líquidos, na parte interna

pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

0 –1 –2 –3 –4 –5 –6 –7 –8 –9 –10 –11 –12 –13 –14[H+] 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

10.5 Analisador de Líquidos10.5.1 Medidor pHDefinição de pH

“pH é um índice que representa o grau dealcalinidade ou de acidez de uma solução”. Amedição de pH pode ser dividida de um modogeral em dois métodos:

Método de medida elétrica e método de me-dida pela comparação de cor.

Na área industrial, utiliza-se o método demedição elétrica devido a sua facilidade demanipulação e facilidade na instrumentação.

O método de eletrodo de vidro é, princi-palmente, o mais utilizado. A definição do pHé conforme a fórmula 3.1.

pH = – log[H+] (3.1)pH = – log a H+: atividade do íon Hidrogênio (3.2)

Na realidade é difícil medir atividade doion hidrogênio, o H+, durante a medição dopH, por isso ela é realizada através da medi-ção comparativa com um líquido cujo pH já éconhecido.

A água pura é considerada um eletrólitofraquíssimo, dissociando-se de acordo com aseguinte equação iônica:

3 H2O ↔ H3+ 3 OH–

O grau de dissociação da água é extrema-mente pequeno. Realmente, a água não é umisolante perfeito, apresentando uma conduti-bilidade elétrica da ordem de l0–6 mho.

A concentração de seus íons, determina-da experimentalmente pela medida de conduti-bilidade elétrica, na temperatura de 25°C e de:

[H+] = [OH–] = 10–7 íon g/litro

Este valor significa que de 107 mols deágua, apenas uma se ioniza. Diante do que foidito, é fácil concluir que a concentração daágua não dissociada é praticamente a totalidadeda mesma.

grandeza elétrica qualquer, possível deser medida através da célula. (Exem-plo: tensão elétrica, corrente elétrica,resistência ôhmica, etc.). A reação quí-mica entre o oxigênio e o eletrólito éregida pela lei de Henry que diz: “Ooxigênio dissolvido no eletrólito é funçãoda concentração deste gás na amostra”.

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Page 70: 2. Transmissao e Transmissores

e externa da camada fina do eletrodo de vidro.Esta diferença de potencial elétrico é conduzidaao medidor de diferença de potencial “V”, pas-sando pelo eletrodo interno “d” e pelo líquido depH desconhecido “A”, e, passando pelo eletro-do interno “h” do eletrodo de comparação “H”.

Considera-se que a diferença de potencialsurgida no interior da camada fina do eletrodode vidro seja E, que a diferença de potencialsurgida entre o líquido interno e externo doeletrodo de vidro seja e1, e que o potencial elé-trico surgido entre o líquido interno e o eletro-do interno do eletrodo de comparação seja e2,tem-se:

V = e1 + E – e2

Se igualarmos o eletrodo interno com olíquido contido na parte interna e1 e e2 serãoiguais, possibilitando a obtenção do valor de E.

Os eletrodos internos utilizados, são deestruturas praticamente idênticas, e tal provi-dência foi tomada para que não ocorresse umadiferença na força elétrica gerada, causada pê-los eletrodos internos de diferentes estruturas.

O líquido interno do eletrodo de vidro con-têm uma solução padrão com pH igual a 7 eno meio líquido interno para uso do eletrododiferencial utiliza-se o Cloreto de potássio

Caracterísitca do eletrodo de vidro.

A Figura acima mostra a característica daenergia gerada no eletrodo de vidro.

10.5.3 Solução padrão de pHA solução padrão de pH deverá ter como

características:a) A menor diferença de potêncial elétri-

co em relação ao KCL, a ponto de serdesprezível.

b) Facilidade na fabricação da soluçãopadrão pura.

c) Grande força amortecedora.Por esses motivos a solução de ácido Po-

tássio Ftálico foi escolhida como solução pa-drão. Como o eletrodo de vidro possui a ca-racterística de perder a linearidade quando oácido ou a alcalinidade se tornam fortes, tor-na-se necessário para fins de correção mais deduas soluções padrões com diferentes pH. Acaracterística da temperatura da respectiva so-lução padrão é representada na tabela abaixo.

(KCL). O KCL é utilizado pois apresenta amenor diferença de potencial elétrico entre oslíquidos não medidos.

Temperatura Ácido Ácido Ácido fosfórico Ácido Ácido Solução de hidróxido Solução de hidráxido0º oxático ftálico neutro bórico carbônico de bório de cálcio saturado

0 1,67 4,01 6,98 9,46 10,32 13,8 13,45 1,67 4,01 6,95 9,39 (10,25) 13,6 13,210 1,67 4,00 6,92 9,33 10,18 13,4 13,015 1,67 4,00 6,90 9,27 (10,12) 13,2 12,820 1,68 4,00 6,88 9,22 (10,07) 13,1 12,625 1,68 4,01 6,86 9,18 10,02 12,9 12,430 1,69 4,01 6,85 9,14 (9,97) 12,7 12,335 1,69 4,02 6,81 9,10 (9,91) 12,6 12,138 – – – – 9,91 – –40 1,70 4,03 6,81 9,07 – 12,4 12,045 1,70 4,04 6,83 9,01 – 12,3 11,850 1,71 4,06 6,83 9,01 – 12,2 11,755 1,72 4,08 6,81 8,99 – 12,0 11,660 1,73 4,10 6,81 8,96 – 12,9 11,4

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Page 71: 2. Transmissao e Transmissores

77

Envólucro do fio

Bocal suplementardo líquido da parteinterna

Eletrodo composto

Vidro de inspeção

Anel em OTubo de proteção

Resistência de compensaçãode temperaturaeletrodo de comparaçãoeletrodo de vidro

Suporte

10.5.4 Observações a serem feitas durante amedição

A ponta do eletrodo de vidro é a parte vi-tal, e deve estar permanentemente limpa. Eainda, como o eletrodo é feito de vidro, deve-se ter bastante cuidado ao manuseá-lo. Quan-do o líquido não manuseado estiver sujo, oeletrodo também se sujará com facilidade, demodo que é necessário planejar a introduçãode equipamento automático de lavagem e rea-lizar limpezas periódicas. Temos diversosmétodos de lavagem automática como lava-gem com ultra-som, lavagem com líquido quí-mico, ou lavagem com escova, e é necessário

que o método a ser escolhido dependa das con-dições das impurezas.

Como o KCL se desgasta, é necessário umplanejamento adequado das condições de uso,no que se refere a sua distribuição automáticaa partir de um tanque e no que se refere a dis-tribuição periódica.

Tem-se hoje com facilidade o eletrodocomposto, que reúne o eletrodo de vidro e oeletrodo de comparação em um mesmo ele-mento. Isto simplificou o manuseio e o traba-lho na conservação deste eletrodo. Tem-se tam-bém um sensor de temperatura junto aos ele-trodos para que seja feita a compensação au-tomática (Figura abaixo).

Eletrodo para medição de pH do tipo compacto.

dois. É muito freqüente medir o grau de con-centração do álcool de uma bebida ou do áci-do sulfúrico diluído num acumulador a partirda densidade específica. Com respeito a solu-ção líquida comum (ácido sulfúrico, acidohidroclorico, acido nítrico, hidróxido de sódio,sal, sacarose, álcool, etc) tem-se uma relaçãoentre a concentração e a densidade específica,podendo ser lida em tabelas, e no caso de so-lução líquida de ácido sulfúrico, há a balança

10.6 Medidor de densidade específica10.6.1 Medidor de densidade específica pelométodo flutuação

Quando fabrica-se a solução líquida de umelemento o seu volume será, em geral, menorque a soma dos dois.

A porcentagem dessa variação altera con-forme a sua concentração e é difícil calcular ograu de concentração a partir da mistura dos

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Page 72: 2. Transmissao e Transmissores

flutuante com graduação direta do grau de con-centração, de modo que sua medição pode serfeita de maneira direta e fácil. Nas indústriasutiliza-se o medidor de densidade específicapelo método de pressão, pela radiação ou peloefeito Coriolis.

10.6.2 Medidor de densidade específica pelométodo de pressão

É um medidor que utiliza o princípio domedidor da superfície do líquido pelo métodoborbulhador (Figura abaixo), isto é, mantêm-se a superfície da solução, a ser medida a umdeterminado nível e faz com que um certo vo-lume de ar seja aí colocado e depois mede-sea pressão posterior exercida sobre o cano queesta mergulhado na solução e de cuja extremi-dade sai um certo volume da bolha de ar. Comoa superfície da solução é determinada, a pres-são está em relação proporcional com o pesolíquido, isto é, com a densidade do líquido, econhecendo-se essa pressão, conhece-se tam-bém a densidade específica.

Este método é utilizado para medir a den-sidade especifica do ácido contido num reci-piente com solução ácida para decapagem demetais que está em estado da excesso e depoisque o líquido esteja sendo distribuído conti-nuamente.

Medidor de gravidade específica pelo método deradiação

A radiação possui a característica de setransmitir através de um material, e neste pro-cesso, a sua intensidade (energia) é absorvida.O grau de absorção difere conforme o material,e ainda conforme a espessura deste material.Se a espessura do material for constante, aconcentração do material, ou mesmo de um

líquido, será praticamente proporcional a den-sidade específica. Transmitindo-se através deum material usado uma radiação de uma de-terminada energia, mede-se a sua intensidadeapós a radiação e tem-se uma relação especí-fica entre a densidade específica e o grau dediminuição dessa intensidade, através da qualpode-se medir a densidade específica. Pode-se utilizar radiações visíveis (Luz, infraverme-lho, raios gama...)

10.6.3 Medidor do grau de densidade pelo métodode comparação da corPrincípio pelo método de comparação de cor

Transmite-se raios visíveis a uma soluçãoe depois calcula-se o grau de densidade a par-tir da quantidade de luz absorvida por essasolução. Na tabela abaixo representa-se a re-lação entre a cor e o comprimento de onda daluz.

Relação entre cor e comprimento de onda

400 ~ 435 Roxo435 ~ 480 Azul480 ~ 500 Azul Verde500 ~ 560 Verde560 ~ 580 Amarelo Verde580 ~ 595 Amarelo595 ~ 610 Laranja610 ~ 750 Vermelho Laranja750 ~ 800 Vermelho

Comprimento da Onda Cor

10.6.4 Estrutura do equipamentoUtiliza-se, freqüentemente, o equipamen-

to baseado no princípio do método da intensi-dade da luz absorvida pelo filtro como sendoum analisador do grau de densidade continuapara fins industriais.

Linha de medida.

1. Grau de absorção daluz

2. Grau de absorção daluz pela solução pa-drão

3. Grau de absorção daluz pela amostra

4. Grau de absorção daluz pela solução

5. Grau de densidade6. Grau de densidade

da solução padrão7. Grau de densidade

da amostra

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Page 73: 2. Transmissao e Transmissores

É estruturado pela parte da fonte de luzmonocromática, parte de amostra, e parte demedição da luz recebida.

A Figura abaixo representa a estrutura docomparador da cor do filtro fotoelétrico.

Exemplo de estrutura do comparador da cor do filtro fotoelé-trico.

1. fonte da luz2. filtro3. receptor de luz4. circuito elétrico5. parte da fonte de luz monocromática6. parte da medida da luz recebida

– Que a mistura entre a amostra e o rea-gente seja bem feita e que não haja atra-so no tempo.

– Que não haja acúmulo de elementosflutuantes.

– Que não haja variação de temperatura.

Parte da fonte de luz monocromáticaUtiliza-se a lâmpada de tungstênio ou lâm-

pada xenônio como fonte de luz. Como filtro,utiliza-se o filtro de vidro em que a coloraçãoé feita acrescentando um elemento oxidantemetálico no interior de um vidro inorgânicoou o filtro, interferente que retira o compri-mento da onda monocromática utilizando ainterferência causada pela membrana fina eva-porada e fixada na superfície do vidro.

Parte da medição da luz recebidaDependendo da grandeza do volume de luz

a ser medido ou do limite do comprimento daonda utiliza-se na parte da recepção da luz,vários tipos de tubos de recepção da luz, mas,para a medição do grau de densidade da solu-ção através da medição elétrica da luz, utiliza-se o tubo fotoelétrico, tubo fotoelétrica, tubode multiplicação fotoelétrica, etc.

Parte da amostraCom relação a medição contínua, a pane

do porta-amostras, é a parte mais importantedo setor industrial, sendo os itens principais,do ponto de vista do planejamento:

– Que não haja sujeira nem embaçamentona parte da passagem do raio de luz daamostra.

– Que o fluxo continuo da amostra sejalimpo.

AnotaçõesApostilas Ideal

Page 74: 2. Transmissao e Transmissores

Uma válvula de controle consiste, basica-mente, de dois conjuntos principais: o corpo eo atuador.

O corpo é a parte da válvula que executa aação de controle, permitindo maior ou menorpassagem do fluido no seu interior, conformea necessidade do processo.O conjunto do cor-po divide-se, basicamente, nos seguintes sub-componentes:

a) De desloca-mento linear

b) De deslocamen-to rotativo

a) corpo propriamente dito;b) internos;c) castelo ed) flange inferior.Nem todos os tipos de válvulas possuem,

obrigatoriamente, o seu conjunto do corpo for-mado por todos os subcomponentes anterior-mente mencionados. Em alguns tipos de vál-vulas, o corpo e o castelo formam uma só peça,denominada apenas de corpo, em outros nemexiste o flange inferior. Porém, tais particula-ridades não serão consideradas, optando-se porum conceito mais global, para posteriormenterestringi-lo à medida em que cada tipo de vál-vula de controle for sendo analisado.

Como o conjunto do corpo corresponde àparte da válvula que entra em contato diretocomo fluido, deve satisfazer os requisitos depressão, temperatura e corrosão do fluido. Tra-ta-se, portanto, de um vaso de pressão e, comotal, deve ser considerado.

11.2 Tipos de CorposAs válvulas de controle são classificadas

em função de seu formato (tipo de corpo) emdois grupos: deslocamento linear e de deslo-camento rotativo.

1. Globo convencional;2. Globo Três vias;3. Globo Gaiola;4. Globo Angular5. Diafragma;6. Bi-partido;7. Guilhotina.

1. Borboleta;2. Esfera;3. Obturador excêntrico.

Para cada tipo de processo ou fluido, sem-pre há pelo menos um tipo de válvula que sa-tisfaça os requisitos técnicos de processo,

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Page 75: 2. Transmissao e Transmissores

independente da consideração econômica.Cada um destes tipos de válvulas possui suasvantagens, desvantagens e limitações para esteou aquele processo.

No decorrer deste capítulo serão analisa-dos todos esses aspectos, oferecendo, assim,uma sólida base para o usuário selecionar amelhor válvula para a aplicação em questão.

Define-se por válvula de deslocamento li-near, a válvula na qual a peça móvel vedantedescreve um movimento retilíneo, acionadapor uma haste deslizante; enquanto que umaválvula de deslocamento rotativo, é aquela naqual a peça móvel vedante descreve um movi-mento de rotação acionada por um eixo girante.

11.3 Válvulas de deslocamento Linear deHaste11.3.1 Válvula de Controle Tipo Globo Convencional(Série SIGMAF)

A válvula globo, sem dúvida uma das maiscompletas e versáteis, pode ser sede simples(com corpo reversível e não reversível) e desede dupla (com corpo apenas reversível).

Sede SimplesA figura a seguir mostra várias montagens

da denominada válvula globo tipo sede sim-ples. É fabricada em diâmetro de 1/2” até 10”e com conexões das extremidades rosqueadas(até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classesde 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs.

Neste tipo de válvula, o fluido no interiordo corpo passa através de um único orifício.

Válvula globo convencional tipo sede simples.

Na Figura anterior (a), nota-se que o obtu-rador é guiado duplamente, isto é, superior einferiormente, e ainda um fato muito importanteé que para a válvula fechar, o obturador devemovimentar-se para baixo, ou seja, deve des-cer. Tal tipo de montagem é denominada dedesce para fechar ou normalmente aberta.

Por outro lado, na Figura (b), observa-se a mes-ma válvula, só que o obturador está invertido.Neste caso, para a válvula abrir, o obturadortem que descer. Pode-se notar que a única di-ferença entre essas duas válvulas é a posiçãode aberta e fechada em relação ao mesmomovimento do obturador. Enquanto que naprimeira o obturador, ao descer, fecha a vál-vula, a segunda abre-a em resposta ao mes-mo movimento do obturador. Esta é, portanto,uma válvula desce para abrir ou mais conhe-cida por normalmente fechada. Uma é inver-sa da outra quanto ao funcionamento.

Na figura (c), uma outra sede simples umpouco diferente das anteriores é observada. Oobturador é guiado apenas superiormente e aodescer a válvula só pode fechar, não existindoa possibilidade de montagem do obturador emposição invertida ou por baixo. Esta válvula,em relação ao movimento do obturador decima para baixo, só pode fechar. O fato de umaválvula ser normalmente aberta ou fechadaé um fator muito importante a ser consideradona escolha da válvula.

11.4 Válvulas de Controle – DefiniçõesGeral11.4.1 Válvulas de Controle

Dispositivo capaz de regular a vazão deum fluido (líquido, gás ou vapor) que escoaatravés de um conduto fechado, por meio doposicionamento relativo de uma peça móvelque obtura a área livre de passagem do fluido;o deslocamento da peça móvel é promovidopor um atuador motorizado, em resposta a umsinal externo de comando, permitindo abrir oufechar totalmente a válvula ou mantê-la emqualquer posição de seu curso, proporcional-mente ao sinal de comando; a energia de atua-ção é fornecida por uma fonte independente.

Classificação das válvulas de controleClassificam-se em duas categorias bási-

cas, conforme o tipo de deslocamento da peçamóvel: válvulas de deslocamento linear e vál-vulas de deslocamento rotativo.

Válvula de deslocamento linearConstrução em que a peça móvel descre-

ve um movimento retilíneo, acionada por umahaste deslizante.As construções típicas são:válvula globo, diafragma, entre outras.

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Page 76: 2. Transmissao e Transmissores

Válvula de deslocamento rotativo Construção em que a peça móvel descre-

ve um movimento de rotação, é acionada porum eixo girante. As construções típicas são:válvula esfera, borboleta, excêntrica, etc.

11.4.2 Componentes da válvula de controleA válvula de controle é composta por dois

conjuntos básicos: conjunto do corpo, quemantém a peça movel, e conjunto do atuador,que promove o deslocamento da peça móvel.Acessórios diversos podem ser incorporadospara executar funções auxiliares específicas:posicionador, limitador de curso, bloqueio desegurança, etc.

Conjunto do corpoConjunto formado pelo corpo propriamen-

te dito, conjunto de internos (incluem o ele-mento móvel vedante e um ou mais orifíciosde passagem de fluxo) e conjunto do castelo.

Corpo de sede simplesConstrução em que o corpo apresenta um

orifício de passagem e um elemento vedantesimples.

Corpo de sede duplaConstrução em que o corpo é dotado de

dois orifícios de passagem e um elementovedante duplo.

Corpo de duas viasConstrução em que o corpo é dotado de

duas conexões de fluxo, uma entrada e umasaída; as conexões podem estar em planos pa-ralelos, fornecendo fluxo de passagem reta, ouem planos ortogonais, fornecendo fluxo depassagem angular.

Corpo de três viasConstrução em que o corpo apresenta três

conexões de fluxo, sendo duas em plano pa-ralelo e a terceira em plano ortogonal, poden-do ser duas conexões de entrada e uma de saída(fluxos convergentes: válvula misturadora), ouuma conexão de entrada e duas de saída (flu-xos divergentes: válvula distribuidora).

Conjunto do atuadorConjunto formado pelo atuador propria-

mente dito pelo sistema de acoplamento me-cânico entre este e o corpo da válvula. Con-forme o meio de motorização, o atuador é detipo pneumático, elétrico, hidráulico, etc.

Atuador pneumáticoAtuador acionado pela pressão de ar ou

outro fluido gasoso aplicado sobre um diafrag-ma flexível ou rolante, ou sobre um sistemade cilindro e pistão, podendo ou não ser dota-do de mola, conforme a construção particular.

Atuador elétricoAtuador acionado por motor elétrico re-

versível.

Atuador hidráulicoAtuador acionado por sistema de pressão

hidráulica.

Atuador eletro-hidráulicoAtuador acionado por motor elétrico que

comanda o sistema de pressão hidráulica.

11.4.3 Tipos de válvulas de controleConforme arranjo construtivo, diversos

tipos de válvulas de controle são utilizados,cada qual dotado de características operacio-nais específicas.

Válvulas globoVálvula de deslocamento linear, corpo de

duas vias, com formato globular reta com in-ternos de sede simples ou de sede dupla.

Válvula angularCaso particular de válvula globo, de sede

simples, corpo de duas vias, com conexões deentrada e saída em planos ortogonais, as li-nhas de fluxo de entrada e saída fazem ângulode 90º.

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Page 77: 2. Transmissao e Transmissores

Válvula de três viasCaso particular de válvula globo, de sede

dupla, corpo de três vias, com fluxos conver-gentes (válvula misturadora) ou divergentes(válvula separadora).

Válvula de gaiolaCaso particular de válvula globo, com in-

ternos tipo gaiola de sede simples (corpo deduas vias) ou de sede dupla (corpo de três vias).

Válvula de diafragmaVálvula de deslocamento linear, corpo de

duas vias, de passagem reta, com o elementovedante constituído por um diafragma flexí-vel que promove a restrição variável à passa-gem do fluxo (patente Saunders).

Válvula esferaVálvula de deslocamento rotativo corpo

de duas vias, de passagem reta, com internosde sede simples e elemento vedante constituí-do por uma calota ou segmento esférico acio-nado por eixo de rotação axial.

Válvula borboletaVálvula de deslocamento rotativo, corpo

de duas vias, de passagem reta, com internosde sede simples e elemento vedante constituídopor um disco ou lâmina de formato circularacionado por eixo de rotação axial.

Válvula excêntricaVálvula de deslocamento rotativo, corpo de

duas vias, de passagem reta, com internos desede simples e elemento vedante constituídopor um disco, calota ou segmento circular acio-nado por eixo de rotação excêntrico (não axial).

11.5 Válvula Globo11.5.1 Corpo da válvula

Peça vazada (fundida, forjada ou moldada),dotada de conexões de entrada e saída, quecontêm o conjunto dos elementos internos.

Corpo bipartidoConstrução em que o corpo da válvula é

formado por semi-corpos separados e justa-postos, com as conexões de entrada e saídaem cada semi-corpo (semi-corpo inferior esemi-corpo superior).

Flange inferior do corpoPeça de vedação, flangeada e parafusada

na face inferior do corpo (face oposta ao cas-telo), que serve de tampa para as válvulas glo-bo convencionais, e serve também de suportepara a guia inferior nas hastes de guia dupla.

Jogo de prisioneiros e porcas do corpoConjunto de parafusos, prisioneiros e por-

cas para fixação corpo-castelo, e corpo-flangeinferior (quando existente).

Carretel de três viasPeça flangeada e parafusada na face infe-

rior do corpo (face oposta ao castelo), que for-ma a terceira conexão de fluxo nas válvulasde três vias, podendo também alojar a sedecorrespondente.

11.5.2 Internos (ou conjunto dos internos) Conjunto dos elementos interiores ao

corpo da válvula, que fazem contato direto como fluido de processo, constituídos por umacombinação dos seguintes componentes obtu-rador e anel de sede.

Tecnologia Disponível para propiciar umDiagnóstico on line sobre a válvula de controle.

Exemplo: Ciclo de atuação;Histerese;etc.

Conversor + Posicionador Inteligente.

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Page 78: 2. Transmissao e Transmissores

Nº Legenda01. Corpo02. Flange de castelo03. Tampa inferior04. Plug05. Sede06. Acento da Sede07. Haste de válvula08. Parafuso prisioneiro09. Porca10. Junta11. Junta de anel12. Gaxeta13. Anel de lubrificação14. Bucha15. Flange16. Parafuso prisioneiro17. Porca18. Porca de fixação do garfo19. Limpador de graxa20. Garfo21. Tampa inferior do diafragma22. Tampa superior do diafragma23. Haste do diafragma24. Prato do diafragma25. Diafragma26. Mola27. Sede de mola28. Assento da sede da mola29. Parafuso de ajuste da mola30. Conexão para ar31. Batente32. Disco Indicador33. Escada de curso34. Placa de identificação35. Parafuso36. Porca37. Prisioneiro38. Arruela39. Contra porca40. Parafuso para ajuste da escala41. Rebite42. Lubrificador

Válvula de controle pneumática.

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Page 79: 2. Transmissao e Transmissores

12Controle Automáticode Processo

12.1 Sistemas de ControleUm sistema de controle é uma série de

unidades combinadas para produzirem umdeterminado resultado com pouca ou nenhu-ma supervisão humana. Os sistemas de con-trole podem ser classificados em abertos oufechados. Denomina-se de sistema de contro-le aberto aquele em que a saída do processonão exerce nenhum efeito sobre a entrada doprocesso, enquanto que, um sistema de con-trole fechado (sistema de controle por reali-mentação), é aquele em que a energia de entra-da no sistema é de alguma forma uma funçãoda própria saída. Sistemas de controle abertosnão são geralmente utilizados no controle deprocessos industriais, e, portanto, apenas se-rão considerados os sistemas de controle fe-chados.

12.2 Partes de um Sistema de ControleQualquer sistema de controle apresenta,

basicamente, as seguintes partes ou elementos:1. Processo;2. Elemento primário;3. Transmissor;4. Controlador e5. Elemento final de controle.

O processo é a parte do sistema que de-senvolve alguma função desejada, pode sermecânico, químico, elétrico ou uma combina-ção desses. Por exemplo, o nível de um líqui-do num tanque é um processo, assim como ageração de vapor através de uma caldeira.

Elemento primário é aquele que utiliza outransforma a energia proveniente do meio con-trolado, para produzir um efeito que é função davariação no valor da variável controlada. Exem-plos de elementos primários, termômetros, ter-mopares, placas de orifício, manômetros, etc.

Transmissor é um dispositivo utilizadopara transmitir o sinal vindo do elemento pri-mário para um outro lugar.

Controlador é um dispositivo que produzum sinal de saída, que é função do sinal dodesvio.

Elemento final de controle representa umdispositivo que, manipulado pelo sinal de saí-da do controlador regula o fluxo de energia oumaterial para um processo. Exemplos de ele-mentos finais de controle são: válvulas de con-trole, reostatos, determinados tipos de bom-bas e outros.

Entre os diversos tipos de elementos fi-nais de controle, a válvula é, sem dúvida algu-ma, a mais amplamente utilizada.

Sistema de controle da temperatura de um trocador de calor.

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Page 80: 2. Transmissao e Transmissores

Será analisado, através da Figura anterior, o sistema de controle de temperatura de um troca-dor de calor, enquanto que, na Figura abaixo demonstra-se esquematicamente o correspondentesistema de controle por realimentação, através da representação por meio do diagrama de blocos.

Diagrama de blocos do sistema de controle dado anteriormente na figura.

12.3 Estabilidade do Sistema de ControleUm sistema de controle estável é aquele

em que os transientes introduzidos no mesmoextinguem-se conforme o tempo aumenta. Umsistema instável é aquele em que o ciclo deresposta, após a introdução de um distúrbio,continua numa amplitude sempre crescente.Sistemas estáveis produzem diversos tipos derespostas dependendo das suas características.A resposta pode ser oscilatória com uma am-plitude constante, oscilatória com uma ampli-tude decrescente ou pode ser uma curva mo-derada. Curvas características das respostasproduzidas por um sistema a um súbito dis-túrbio são mostrados na Figura abaixo.

Tipos de respostas de um sistema de controle.

12.4 Funcionamento de um Sistema deControle Fechado

Serão utilizadas novamente as Figurasdas páginas 67 e 68 ao alto para acompa-nhar o funcionamento de um sistema de con-trole. O processo mostrado pela Figura dapágina 67 é o aquecimento de um determi-nado fluido através do processo da troca decalor que ele efetua com o vapor de água.

Supondo que o fluido processado entra sobvazão constante no trocador de calor a umatemperatura Te. Deseja-se manter (ou contro-lar) a temperatura desse fluido após o troca-dor no valor Tr. Se o valor da temperaturamedida Tm pelo elemento primário for dife-rente do valor desejado Tr, o controlador sen-tirá a diferença ou desvio ε = Tr-Tm e mudaráa entrada de calor no trocador por meio de umsinal à válvula de controle, de forma tal, queesta assuma uma nova posição, aumentandoou diminuindo a vazão de entrada de vapor notrocador. Após a ação corretiva, voltando atemperatura Tm igualar-se a Tr, o sistema vol-ta ao seu estado de equilíbrio.

O sinal que o controlador envia para a vál-vula é muito importante do ponto de vista domodo de controle do sistema. Como este si-nal é função do desvio, pode-se ter diversostipos de modo de controle.

12.5 Modos de Controle do ControladorO modo de controle (também denomina-

do de ação do controlador) é a maneira que ocontrolador responde a um desvio da variávelcontrolada. Significa de que forma a válvulade controle vai tentar corrigir o desequilíbriosurgido após uma variação de carga. No exem-plo dado na Figura da página 67, para corri-gir um aumento de temperatura de Tm de for-ma a Tm > Tr, a válvula de controle poderia,por exemplo, fechar completamente logo queo valor de Tm passasse acima do valor deseja-do, ou poderia fechar a válvula lentamente, auma velocidade constante ou ainda fechar 1% docurso total da válvula para cada grau de desvio, etc.

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Page 81: 2. Transmissao e Transmissores

A seleção do modo de controle é geralmenteditada, pelas características do processo e pelaprecisão que se deseja. Assim sendo, os qua-tro modos de controle básicos utilizados são:a) controle de duas posições, ou também deno-minado de controle biestável; b) controleproporcional; c) controle integral e d) con-trole derivativo. Qualquer controlador podeassumir um desses modos de controle ou al-guma combinação deles. Estes quatro modospodem ser separados em dois grupos diferen-tes e muito importantes: controle biestável econtrole modulado (no qual agrupam-se ostrês últimos modos de controle definidos aci-ma). Normalmente, os dois últimos modos decontrole, ou seja, o integral e o derivativo, uti-lizam-se em conjunto com o modo proporcio-nal, formando os seguintes modos de controlecombinados: proporcional-integral e propor-cional-integral-derivativo.

A seguir, será feita uma breve explanaçãoquanto às particularidades de cada um dessesmodos de controle, assim como algumas com-binações entre os modos pertencentes ao con-trole modulado.

12.5.1 Controle biestável Neste tipo de controle, o sinal de saída

do controlador apenas assume dois valores: 0ou 100%.

Assim, quando a variável medida estiveracima do ponto de controle (valor desejado),o sinal de saída do controlador é zero; quandoa variável medida estiver abaixo do ponto decontrole, o sinal de saída apresenta o seu valormáximo. Assim, num sistema de controle emque o modo de controle do controlador sejado tipo “biestável”, o obturador da válvula decontrole é deslocado rapidamente de uma po-sição para outra, por exemplo, totalmente fe-chada para totalmente aberta.

12.5.2 Controle proporcionalNeste modo de controle, o sinal de saída

do controlador é diretamente proporcional aodesvio. Ou seja:

P = Kc ε + Ps

ondeP = sinal de saída do controlador;Kc = ganho ou sensibilidade (também co-

nhecido como banda proporcional)do controlador, ajustável no própriocontrolador;

ε = desvio = valor desejado – variávelmedida;

Ps = constante.

A característica principal deste tipo demodo de controle é que, sob seu efeito, o sis-tema de controle é capaz de conter o aumentoou diminuição da variável controlada e final-mente trazê-la para a condição de equilíbrio aum novo valor. A diferença entre estes doisvalores da variável controlada na antiga e novacondição de equilíbrio é denominada de “‘off-set” ou desvio de regime. Em face à utilizaçãode um controlador tipo proporcional, a válvu-la de controle assume uma posição para cadavalor da variável medida. O controle tipo“biestável” é, na realidade, um caso especialdo controle proporcional no qual o ganho Kc éajustado para um valor alto, fazendo a válvuladeslocar-se de uma posição extrema à outra,caso a variável medida venha a desviar ligei-ramente do valor desejado.

12.5.3 Controle integralNeste modo de controle, o sinal de saída é

proporcional à integral do desvio, ou seja:

tc

r o

KP dtT

= ∫ ε

onde Tr = tempo de ação integral (em minu-tos), ajustável no controlador.

A principal característica do modo de con-trole tipo integral é que a válvula somente ces-sará seu deslocamento quando a variável con-trolada retornar ao valor desejado. Não pro-duz, portanto, o desvio residual de regime,conhecido por “off-set”. Como o modo pro-porcional apresenta, porém, o inconvenientede uma resposta mais oscilatória que o con-trole proporcional.

12.5.4 Controle proporcional-integralA utilização do controle integral isolado

não é usual, pois a sua ação corretiva não éinstantânea, sendo aplicada gradativamente.Costumam-se combinar as vantagens do con-trole proporcional (correção instantânea) comas do controle integral (ausência do “off-set”)obtendo-se assim o modo de controle combi-nado conhecido por “proporcional-integral”.

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Page 82: 2. Transmissao e Transmissores

Respostas dos vários tipos de modos de controle.

12.5.6 Controle proporcional-derivativoÉ matematicamente definido por:

c c d sdP K K T Pdt

= + +εε

Neste tipo de controlador, se o desvio nãoestiver variando, a influência da ação deriva-tiva é nula, transformando-se num controla-dor proporcional.

12.5.7 Controle proporcional-integral-derivativoRepresenta uma combinação dos três mo-

dos de controle para obtenção de um sistemacujo sinal de saída é definido pela equação:

tcc c d so

r

KdP K K T dt Pdt T

= + + +∫εε ε

Através da ação deste modo de controle,o aumento da variável controlada é mais rapi-damente contido fazendo-a voltar também ra-pidamente ao seu valor original com poucasoscilações.

A Figura abaixo apresenta, esquematica-mente, as respostas aos principais tipos (sim-ples ou combinados) de modos de controle.

Em um controlador tipo proporcional-in-tegral, o sinal de saída é matematicamentedefinido por:

tc

c sr o

KP K dt PT

= + +∫ε ε

12.5.5 Controle derivativoNeste tipo de controle o sinal de saída é

proporcional à velocidade de aumento do des-vio verificado, ou seja:

c ddP K Tdt

= ε

onde Td = tempo da ação derivativa, minutos.Este tipo de modo de controle apresenta

isoladamente o inconveniente de não agir cor-retivamente, caso pela variação da carga, avariável controlada esteja estabilizada comvalor diferente do valor desejado. Em outraspalavras, se o desvio for constante, a ação de-rivativa não irá produzir nenhuma correção.Tal característica impede o seu uso isolada-mente, sendo, normalmente utilizado, em con-junto com o modo proporcional ou ainda como proporcional-integral. Entretanto, a açãoderivativa apresenta uma resposta menos os-cilatória que o controle proporcional.

12.6 ConclusõesFoi possível, mesmo que de forma breve,

comparar o desempenho de cada modo de con-trole e, embora não seja a intenção, entrar nomérito da escolha do modo de controle de umcontrolador, pode-se, apenas como explana-ção conclusiva, dizer que a escolha do modode controle depende das características do

processo, em função de seus retardes dinâmi-cos (resistência, capacidade e tempos mortos).Entretanto, do ponto de vista da seleção daválvula de controle, deve-se salientar que aprimeira escolha que o usuário deve fazer é seo processo poderia ser controlado por um sis-tema de controle do tipo biestável ou precisa-ria ser do tipo modulado.

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Page 83: 2. Transmissao e Transmissores

Diagrama em Blocos de uma malha de controle de combustão.

Esta diferenciação, muito simples de serrealizada é básica para a seleção da característi-ca de vazão da válvula, do tipo de válvula eainda do tipo de atuador. Entre os vários modosde controle tipo modulado, a seleção estaria ba-seada no fato do processo admitir ou não comotolerável um desvio residual. No primeiro casopoderia ser utilizado o controle proporcional,já no segundo, deveria ser acrescentado a ação

do modo integral e, caso o processo não permi-tisse grandes oscilações da variável controladaserá acrescentado ainda o modo derivativo.

Por último, o usuário não deve esquecerque considerações técnicas feitas quanto à es-colha de um determinado controlador, trans-missor, etc. são importantes, porém não sepode relegar a um plano secundário a escolhaou dimensionamento da válvula de controle.

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