Sensores de temperatura de uso industrial - parte 1

Os sensores de temperatura mais comuns utilizados nas indústrias são os pares termoelétricos e os RTD’s (Resistance Temperature Detector).

Desses citados acimas os mais comuns são termopares e o PT100, por sinal, sabe qual a diferença entre um termopar e um PT100? Qual dos dois é melhor? Quando utilizar cada um?

Falarei um pouco sobre esses dois tipos de sensores de temperatura mais usuais nas indústrias.

Os sensores de temperatura são os elementos primários utilizados para saber qual a temperatura de determinado processo, normalmente são associados a transmissores ou conversores para leitura e controle de temperatura de maneira remota (à distância).

Sensores de temperatura por variação de resistência

Os sensores de temperatura por variação de resistências (RTD – Resistance Temperature Detector) é constituído por um grupo de metais que varia sua resistência ôhmica em função da temperatura de forma estável, com alta repetibilidade (capacidade de instrumento de apresentar leituras próximas em repetidas aplicação nas mesmas condições), baixa contaminação, menor influência de ruídos e alta precisão, seu aumento a resistência com o aumento da temperatura de maneira praticamente linear.

O PT100 faz parte desse grupo, sua denominação prove de:

• PT – Platina, material utilizado para fabricação do sensor;
• 100 – cem ohms é a resistência desse sensor a zero grau Celsius.

Existem vários tipos de RTD como Cu10, Ni150, PT1000 entre outros, sendo as letras referentes ao material do sensor e as numerações são referentes ao valor da resistência ôhmica do sensor a zero grau Celsius.

Os sensores RTD consistem em uma resistência em forma de fio de alta pureza, no caso do PT100 é a platina, encapsulado em um bulbo de cerâmica ou vidro (elemento isolante) com diâmetros que variam de 1 a 4 mm e comprimentos que variam de 10 a 40 mm, os fios são enrolados com distâncias paralelas evitando assim que entrem em curo-circuito quando submetidos a temperaturas elevadas.

A equação matemática que rege a variação de resistência em função da temperatura é chamada de equação Callendar-Van Dusen:

Para o range de -200 a 0°C

Para o range de 0 a 850°C

Onde:

Rt = resistência na temperatura t

R₀ = resistência a 0°C

t = temperatura °C

A,B e C = coeficientes determinados pela calibração

A = 3,90802 x 10^-3 (°C^-1)

B = -5,802 x 10^-1 (°C^-1)

C = -4,2750 x 10^-12 (°C^-1)

A variação de resistência em função da temperatura é chamado de alfa (α):

Onde:

R₁₀₀ = resistência a 100°C

R₀ = resistência a 0°C

Segundo a IEC 60751/08 (Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors) um valor típico de alpha para R₁₀₀ = 138,50 Ω é de 3,859 x 10^-3 Ω.Ω^-1.°C^-1 isso para PT100 na faixa de -260 a 850°C.

Pode perceber a quase linearidade do sensor que para diagnósticos rápidos é ótimo, podemos utilizar um multímetro na escala de medição de resistência, porém o sensor deve estar desconectado do transmissor ou conversor (deve ser medido sem tensão a qual esses instrumentos fornecem).

A utilização da isolação mineral no sensor traz mais robustez e confiabilidade nas medições, nesse caso o elemento isolante e o condutor interno são colocados dentre de um tubo fino (por processo de trefilação) normalmente de inox com pó de óxido de magnésio, cuja função é manter a estabilidade térmica, eliminando todo ar de dentro do tubo, melhorando o tempo de resposta. Isso também traz flexibilidade no manuseio do sensor que pode ser dobrável, instalados em locais de difícil acesso, facilitando também a instalação.

De acordo com os resultados da fabricação são definidas duas classes principais de limites de erros (existem outras para padrões de laboratório e com menos precisão), sendo:

Classe B: ±0,30 + (0,005.t) °C

Classe A: ±0,15 + (0,002.t) °C

Exemplo:

Qual o limite de erro de um PT100 na temperatura de 180°C para as duas classes A e B?

Para classe A teremos:

Para classe B teremos:

Esses seriam os limites de erros para as duas classes a temperatura de 180°C.

Ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone é um circuito utilizado para medição de resistência elétrica através do balanceamento das resistências do circuito montadas conforme figura abaixo

Ponte de Wheatstone

Como o PT100 é um elemento termorresistivo, o mesmo pode ser mensurado através desse circuito.

Ele é um circuito divisor de corrente que em cada ramo forma um divisor de tensão

A tensão V_AB entre as extremidades que não estão ligadas a fonte de alimentação que  nos interessa.

A equação da ponte de Wheatstone é desmembrada em duas partes, formando um divisor de tensão:

As tensões V_A e V_B de cada parte são equacionadas da seguinte forma:

E

Quando V_AB = V_A - V_B = 0, nessa condição a ponte está em equilibro.

Dessa igualdade teremos:

Sendo assim

Aplicando a propriedade distributiva

Finalizando a equação

A condição de equilíbrio é dada pela igualdade entre os produtos das resistências opostas.

Utilizando valores próximos a resistência desejada utiliza-se o sensor em um dos pontos da ponte e uma resistência variável confiável em outra conforme figura abaixo

Ponte de Wheatstone

Quando a fonte de tensão indicar 0V significa que atingiu a ponte atingiu seu equilíbrio e o valor indicado da resistência ficaria da seguinte forma

Atualmente são utilizadas pontes eletrônicas mais sofisticadas, porém o princípio básico parte dessa configuração apresentada.

Ligação do PT100

Existem três variações de ligação do PT100

• Ligação a dois fios

Ligação a dois fios

Nessa ligação R4 é a termoresistência  e R3 é a resistência variável para equilíbrio da ponte. As resistências RL1 e RL2 são as resistências dos cabos de ligação em série com a termoresistência R4, como na segunda Lei de Ohm a resistência tende a aumentar com a distância do cabo para a mesma secção transversal, assim como um aumento da secção transversal diminui a resistência para o mesmo comprimento.

Onde:

R = Resistência  (Ω)

Ρ = resistividade ( Ω.m) ou (Ω.mm²/m)

L = comprimento (m)

S = secção transversal (mm²)

Esse tipo de ligação pode ser utilizado com uma boa precisão até certa distância, que depende do comprimento, secção transversal, material do cabo de ligação.

• Ligação a três fios

É a ligação mais comum utilizada nas indústrias. Nesse circuito a intensão e aproximar a fonte de alimentação do sensor, ficando com a seguinte configuração:

Ligação a três fios

Assim a interferência das resistências dos cabos diminui, possibilitando alcançar maiores distâncias na instalação, a ligação a dois fios a resistência de linha estava em série com o sensor, agora a três fios estão separadas.

• Ligação a quatro fios

Essa ligação é menos utilizada nas indústrias, porém o nível de precisão e maior e o efeito da resistência dos cabos são praticamente desprezíveis. Esse tipo de ligação é utilizado em PT100 padrão para calibração ou laboratórios.

Ligação a quatro fios

Vantagens do PT100

• Possui maior precisão que outros sensores
• Estável  e boa repetibilidade
• Com a ligação adequada não existe limite de distância (porém o comum é instalar um transmissor próximo do sensor, além de economizar em quantidade de cabos, as entradas analógicas de corrente são mais baratos que os de sensores de temperatura)
• Menor influência a ruídos elétricos
• Curva de resistência por temperatura quase linear

Desvantagens

• São mais caros que os outros sensores
• Em processo tem baixo alcance de medição em relação aos termopares, os condutores internos mais comuns são de cobre que acima de 350°C degrada rapidamente e fica mais frágil a impactoso 
• Necessário que o bulbo esteja instalado em local com temperatura estabilizada (sem influencia do ar por exemplo)
• Tempo de resposta á mais lento
• Por se tratar por resistência possui auto aquecimento necessitando de instrumentação adequada

Verificação de funcionamento

Em campo é mais comum encontrar PT100 com ligação a três fios, portanto teremos três terminais para testar o sensor (também existe sensores duplos com 6 terminais), com o sensor desligado utiliza-se o multímetro na escala de resistência (Ω).

Medindo dois a dois dos cabos teremos as seguintes informações:

Resistência em valores baixos da ordem de 2Ω entre os cabos, significa que esses dois são comuns (cabos na cor vermelha).

Resistência entre 107Ω e 111 Ω (próximo da ambiente) entre os cabos significa que esses dois pontos são os extremos do sensor que vai realizar a medição (vermelho e branco (na figura é preto)).

Isso deve ser feito entre todos os terminais e todos devem dar valores, se não acontecer pode ter algum cabo interno no sensor está rompido ou sensor rompido. Caso ache valores muito divergentes desses provavelmente o sensor está com problemas também.

Medidores de pressão – Manômetros – parte 2

Os tipos de medidores mais utilizados nos processos produtivos são os do tipo elásticos (principalmente o de tubo de Bourdon). Eles são muito mais robustos, podem ser feitos de diversos tipos de materiais para melhor compatibilidade química, já que seu elemento sensor está diretamente em contato com o produto e também possui vários acessórios para condicioná-lo a uma melhor medição e evitar desgastes prematuros.

Medidores de pressão tipo elásticos

Seu princípio de medição baseia-se na lei de Hooke, essa lei foi descoberta após uma série de experimentos do cientista inglês Robert Hooke, em 1678. Ele constatou que uma série de materiais, quando submetidos a uma força externa, sofrem variações na sua dimensão linear inicial, assim como a sua área e secção transversal inicial.

O fenômeno da variação linear, Hooke denominou como alongamento, descrito da seguinte forma:

Quanto maior a força aplicada (carga nominal) e o comprimento do material, maior o alongamento, e que, quanto maior a área de secção transversal e a rigidez do material (módulo de elasticidade), menor o alongamento, resultando a equação:

O módulo de elasticidade é:

Sendo assim a lei de Hooke é descrita como:

Onde:

Δl = alongamento da peça (m)

σ = Tensão normal (Pa)

F = carga nominal aplicada (N)

A = área da secção transversal (m²)

E = módulo de elasticidade do material (Pa)

L = comprimento inicial da peça

O alongamento será positivo quando a carga aplicada tracionar (deslocar por tração, ou puxar) a peça, e será negativo quando a carga aplicada comprimir a peça.

Resumindo, a lei de Hooke determina que o módulo da força aplicada em um corpo é proporcional à deformação provocada.

A deformação pode ser dividida em elástica (material retorna ao seu tamanho normal ao cessar a força sobre ele, até o limite de elasticidade do material), plástica ou permanente (material deforma e não retorna ao seu estado normal mesmo retirada a força) e ruptura (o material cede e rompe).

Os medidores de pressão tipo elásticos (inclusive os manômetros tipo elástico) trabalham com pressões sempre abaixo do limite de elasticidade, para poder retornar ao seu estado normal, quando a pressão for retirada, mantendo assim suas características de construção e calibração.

      Esses medidores podem ser classificados em dois tipos:

1. Conversão da deformação do elemento de recepção de pressão em sinal elétrico ou pneumático;
2. Indicação ou amplificação da deformação do elemento de recepção através da conversão de deslocamento linear em ângulos, com o uso de dispositivos mecânicos.

Funcionamento dos medidores

O medidor tipo elástico é aquele que seu elemento de recepção mede pressão através da deformação elástica, sendo que quanto maior a pressão, maior será a deformação. Essas deformações são medidas através de dispositivos mecânicos, elétricos ou eletrônicas.

Iremos explorar o segundo item, deixando o primeiro para um artigo sobre transmissores.

Manômetro tipo elástico

A deformação causa pela é pressão é de deslocamento linear, o qual é convertido proporcionalmente em movimento angular através de mecanismo específico, sendo que para indicação é colocado um ponteiro em uma escala para determinada faixa de medição.

Elementosde recepção para medidores tipo elásticos

A tabela abaixo mostra os principais elementos de recepção para medidores do tipo elástico, assim como a faixa de trabalho em que se enquadram.

Manômetro tubo de Bourdon

Será a base desse artigo por ser o mais utilizado na indústria. É um tubo de secção transversal oval, fechada em uma ponta e a outra aberta para receber a pressão que pode estar disposto em forma de “C”, espiral ou helicoidal.

A construção básica de um manômetro Bourdon em “C” está ilustrado abaixo:

Fonte: site www.instrumentação.com

Os três tipos de Bourdon estão ilustrados abaixo:

Fonte: www.google.com.br

Material do Bourdon

Dependendo da faixa da pressão e da compatibilidade química do material do Bourdon com fluido, se é determinado o material para a confecção do tubo. A tabela abaixo indica os materiais mais comuns para a fabricação do tubo.

Classificação dos manômetros tipo elástico Boudon

Os manômetros são classificados quanto ao tipo de pressão medida e a classe de precisão.

Quanto à medição de pressão, pode ser manométrica, vácuo ou diferencial.

Quanto à precisão, podemos classifica-los como:

Faixa de operação

A pressão normal medida deve estar em torno de 25 a 75% da pressão máxima do manômetro, quando a pressão for estática o ideal é que esteja em torno de 60% da escala máxima do manômetro.

Tipos construtivos

Temos vários tipos construtivos de manômetros, alguns serão relacionados abaixo:

• Manômetro fechado

Utilizados em locais onde esteja exposto ao tempo ou locais com pressões pulsantes. Quando exposto ao tempo possui caixa com grau de proteção adequada, podendo ser utilizado em ambientes com pó em suspensão ou jatos de água, quando trabalha com pressões pulsantes, sua caixa é preenchida em 2/3 com glicerina para evitar a fadiga prematura do Bourdon e seus mecanismos internos devido vibração mecânica.

• Manômetro de pressãodiferencial

Adequando para medir pressões diferenciais entre dois pontos (duas tomadas de pressão) em um processo. A pressão indicada é a resultante da diferença entre as pressões aplicadas aos Bourdons (é composto por dois Bourdons em oposição), podendo assim medir pressão diferencial, nível, vazão, perda de carga em filtros, devido entupimento.

• Manômetro duplo

São dois Bourdons independentes na mesma caixa e utilizando o mesmo mostrador, para medir pressões distintas, só que com a mesma faixa de trabalho.

• Manômetro com selagem líquida

Utilizado em processos industriais com incompatibilidade química entre o material do manômetro e o fluído do processo ou para processos com fluídos corrosivos, viscosos, tóxicos ou com altas temperatura, devido a fragilidade do Boundon, podendo danifica-lo.

A selagem é um tipo de isolação do fluído de processo e o tubo de Boudon, o tipo de fluído de selagem mais utilizado é a glicerina, por ser inerte para quase todos fluídos. A selagem pode ser feita com pote de selagem, com diafragma ou para altas temperaturas por sifão.

Acessórios

Para adequar as condições para medição em campo ou para aumentar a durabilidade do instrumento são utilizados diversos acessórios que serão relacionados abaixo:

• Amortecedores de pulsação

Os amortecedores de pulsação têm como objetivo restringir a passagem do fluído do processo até o ponto em que a pulsação se torne muito baixa ou nula. O amortecedor é instalado antes da conexão do manômetro, pode-se observar seu efeito acompanhando a diminuição da pulsação através do ponteiro (que significa que o Bourdon está trabalhando excessivamente), aumentando assim a vida útil do manômetro e aumentando a precisão nas medições.

• Sifões

Os sifões servem como selo e, além disso, também servem para diminuir a temperatura do processo que chega ao manômetro, muito utilizado em linhas de vapor. O líquido diminui a temperatura quando fica retido na curva do tubo-sifão e através da troca térmica esfria, esse líquido mais frio que entrará em contato com o Bourdon, evitando que a temperatura excessiva entre em contato com ele.

• Supressores de pressão

Protegem os manômetros que ultrapassam ocasionalmente as condições normais de operação. Ele protege o tubo de Boudon evitando sua ruptura.

Seu funcionamento está relacionado com a velocidade de incremento da pressão. Seu ponto de ajuste deve ser atingido de modo que com incremento lento de pressão seu bloqueio se dê entre 80 e 120% do valor da escala do manômetro. Em incrementos rápidos o bloqueio é dado em qualquer valor inferior a 80% da escala.

• Contato

Alguns manômetros utilizam contatos montados em sua caixa de proteção. Esses contatos são acionados quanto o ponteiro move um elemento de acionamento, normalmente um pino metálico, e o sensor é acionado quando esse pino entre no seu campo de acionamento. O funcionamento fica parecido com um pressostato (chave de pressão, aciona um micro switch quando a pressão chega a um valor ajustado), porém com indicação em campo.

Ajuste

Se durante uma calibração (processo de compara a medição do instrumento com um valor padrão), o manômetro apresentar desvio acima do satisfatório (critério de aceitação), ele deve ser ajustado. Um procedimento básico de ajuste será mostrado abaixo, lembrando que os valores encontrados em uma calibração posterior ao ajuste, dependem da exatidão do instrumento, dos desgastes mecânicos e vida útil.

Basicamente os manômetros possuem três pontos de ajustes, o de zero, de span e o de linearidade (angularidade).

-Ajuste de zero: serve para fazer com que uma pressão correspondente a 0% do span da faixa de trabalho produza uma leitura de 0% do span da faixa medida.

-Ajuste de span: serve para fazer com que uma pressão correspondente a 100% do span da faixa de trabalho produza uma leitura de 100% do span da faixa medida.

-Ajuste de linearidade: serve para fazer com que um valor de pressão medida entre 0% e 100% corresponda ao valor real da pressão aplicada.

 Procedimento genérico para o ajuste do manômetro deve seguir os seguintes passos:

1. Aplicar o valor de pressão de 0% da faixa de trabalho e ajustar o zero do instrumento;
2. Aplicar o valor de 100% da faixa de trabalho e ajustar o span; 
3. Reajustar o zero; 
4. Reajustar o span; 
5. Refazer os passos 3 e 4 até que o zero e o span até que os ajustes não saiam mais (devido interação entre zero e span); 
6. Após o ajuste de zero e de span, verificar se os valores de 25, 50 e 75 % da faixa de trabalho estão ajustados. Se esses pontos estiverem com um desvio maior do que o recomendado pelo fabricante, fazer o ajuste de angularidade e repetir todos os passos anteriores.

Como referência para o ajuste de angularidade, pode-se ajustar a mesa do manômetro até que o desvio obtido para o valor de 50% do span seja aumentado em cinco vezes.

Detalhe, a escala do manômetro ocupa ¾ de 360°.

Espero ter conseguido expor um pouco sobre os manômetros tipo elástico Bourdon, apesar de ter outros manômetros tipo elástico como o de diafragma, cápsula, fole, foi explorado o tipo Bourdon devido seu uso comum nas indústrias.

Realizando medição de vazão em campo - prático

Medição de vazão em campo

Esses dias estava conversando com um amigo sobre medidores de vazão e no meio da conversa ele me fez uma pergunta peculiar, como calibrar um medidor de vazão em campo?

Na hora respondi, mas comecei a pensar se essa dúvida era apenas dele ou também de outros profissionais?

Antes de terminar a série sobre simbologia de instrumentação resolvi falar um pouco sobre medição de vazão em campo voltado para medidores especiais e medidores diretos de volume do fluído.

Quem tem a oportunidade de colocar um medidor de vazão em bancada como vortex, magnético, mássico (coriolis) ou de medição direta de volume, pode notar que não é tão difícil calibrá-lo. Para calibrar em bancada precisamos de um medidor de vazão padrão em série com o medidor que queremos calibrar, normalmente esse sistema possui uma bomba e um tanque de armazenamento de água, sendo que água ficará recirculando nesse sistema. Lembrado que calibração (antigamente chamado de verificação) é comparar os valores de leitura de um instrumento com os valores de leitura de um instrumento padrão, não havendo interferência. Se ocorrer a interferência com a finalidade de corrigir um desvio significativo entre o instrumento e o padrão, esse receberá o nome de ajuste (antigamente calibração).

A figura abaixo demonstra um sistema básico para calibrar medidores de vazão em bancada.

Bancada de vazão - sistema básico

Bancada de vazão - sistema básico em PDF

E quando o problema é em campo?

Bom, aí temos alguns métodos que podem ser utilizados. Para realizar as medições em campo precisamos de alguns equipamentos extras também como uma balança de processo calibrada (será nossa referência, ou seja, nosso padrão), um compartimento para armazenar o líquido, normalmente uma bombona ou contêiner (se uso de contêiner deve-se procurar uma paleteira balança para facilitar o trabalho), se possível também utilizar um cronômetro. Com isso em mãos temos inúmeras maneiras de medir a vazão instantânea ou a totalização dos medidores de vazão, lembrando sempre que precisamos saber se o produto não é toxico ou inflamável, evitando assim acidentes, se possível realizar o teste com água.

• Devemos preencher a linha com água ou produto (se não for perigoso);
• Zerar o valor totalizado ou anotá-lo;

•  Colocar uma mangote (tubo flexível) em um trecho reto após o medidor de vazão e bloquear as válvulas de liberam o fluído para outros pontos, permanecendo uma conexão única do produto que passa no medidor ao mangote (com uma válvula no mangote);

• Zerar a balança com a bombona vazia ou paleteira balança com contêiner (zerar com mangote em cima);

• Colocar o mangote na bombona ou no contêiner;

• Abrir a válvula principal e se tiver um cronômetro em mãos iniciar a contagem;

O arranjo do sistema de medição de vazão em campo pode ser visto na figura abaixo.

 

Medição de vazão em campo - Arranjo com balança e conteiner

Medição de vazão em campo - link PDF

• Deve-se definir um tempo, normalmente 60 segundos (1 minuto);

• Após a vazão se estabilizar anotar o valor da vazão instantânea, durante esse tempo definido;

• Ao finalizar a dosagem, fechando a válvula principal após decorrido o tempo, anotar o valor totalizado pelo medidor e anotar o valor pesado na balança;

• Se for mássico, comparar o valor totalizado do medidor e da balança e com o tempo anotado e o valor totalizado comparar o valor da vazão instantânea anotada do medidor mássico com o valor de pesagem da balança dividido pelo tempo. Ex: Valor totalizado do medidor de vazão 61 kg, valor pesado 60 kg, tempo dosado 60 segundos, vazão instantânea anotada 61 kg/min, peso da balança / tempo = 60 kg/60s = 1 kg/s como 60 segundos é igual a 1 minuto podemos considerar 60 kg/1 min = 60 kg/min.

• Se for volumétrico, fazer os mesmos cálculos acima, porém considerando a massa específica do produto (massa específica = massa/volume), se for água a temperatura ambiente podemos considerar a massa específica igual a 1000 kg/m³. Como a massa específica varia com a temperatura, para calibração em campo podemos considerar água nesse valor com temperatura ambiente, para outros casos podemos proceder como o exemplo. Ex: Massa especifica do produto 1200 kg/m³, valor totalizado do medidor de vazão 50 l, valor pesado 60 kg, tempo dosado 60 segundos, vazão instantânea anotada 50 l/min, peso da balança / tempo = 60 kg/60s = 60 kg/1 min = 60 kg/min, o valor da vazão instantânea calculada e a totalização pesada devem ser convertidos em volume através do valor de densidade, nesse caso consideramos.

Portanto, para totalização temos:

Para converter para litros multiplicamos por 1000.

Temos 50 litros totalizados em um tempo de 1 minuto, temos portanto 50 l/min como vazão média instantânea.

Comparar os valores obtidos pelo medidor com os valores obtidos pela balança e cronômetro, verificar se as medições estão coerentes, caso contrário o equipamento deve ser retirado para testes em bancada com possível manutenção.