F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba
FACENS – INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE – Prof. Willerson Moreira Ferraz
Apostila de Instrumentação e
Controle de Processos Industriais
Módulo 2 – Parte 1
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Guias e Dicas
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Encontrar documentos
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Videoaulas
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Quiz
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
- - -
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
1 / 36
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Documentos relacionados
Pré-visualização parcial do texto
Baixe Instrumentação M2 1 e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity!
Apostila de Instrumentação e
Controle de Processos Industriais
Módulo 2 – Parte 1
1. Medição de Grandezas Físicas
1.1 Introdução
O princípio básico da automação e controle é a medição de grandezas físicas. Um sistema automatizado precisa colher informações sobre as variáveis do meio externo que estão sendo manipuladas e, com essas informações, realizar ações relacionadas ao controle do processo. Sinais como temperatura, pressão, vazão, nível, força, etc, são comumente utilizados na indústria. Equipamentos de medição dotados de saídas de dados e comunicação são utilizados para que o sistema possa utilizar as informações do instrumento no controle do processo fabril. A medição de uma grandeza física começa no sensor e pode ser definida como o processo de comparação de uma quantidade ou variável desconhecida com um padrão definido para este tipo de quantidade. O sensor é o elemento que tem uma característica modificada sob a ação de um agente externo e, quando esse sensor é colocado em um circuito, essa variação é convertida em sinais elétricos (transdutores).
1.2 Conceitos básicos de transdução
Um transdutor pode ser definido como o dispositivo que converte energia de um domínio para outro. Estes dispositivos podem ser encontrados nos estágios de entrada ou de saída dos sistemas de medida. Os transdutores de entrada dos sistemas de medida denominam-se sensores e convertem uma quantidade física ou química de entrada numa outra (geralmente elétrica) na sua saída. Os transdutores de saída dos sistemas de medida denominam-se atuadores e convertem uma quantidade (geralmente elétrica) de entrada numa outra física ou química na sua saída.
1.3 Elementos básicos de sensoriamento
Existe uma diversidade de efeitos físicos ou químicos utilizados para a realização de conversão de energia nos transdutores de entrada ou saída de um sistema de medida. É possível classificar as variáveis físicas e/ou químicas em seis diferentes domínios de energia, como segue:
2. Métodos de transdução
Conforme abordado no tópico anterior, existe uma diversidade de efeitos físicos ou químicos utilizados para a realização de conversão de energia nos transdutores de entrada (sensores) de um sistema de medida. A seguir, veremos as técnicas / tecnologias mais utilizadas para a conversão da grandeza medida em um sinal elétrico proporcional e compatível.
2.1 Elementos de contato
Os elementos de contato convertem deslocamentos em sinais elétricos pela abertura ou fechamento de contatos. Na figura abaixo temos varias formas de utilização deste método.
Fig 2.1 – Utilização de elementos de contato
2.2 Elementos resistivos
Num transdutor resistivo a conversão do parâmetro medido se expressa numa variação de resistência na saída do elemento. Existe uma diversidade de elementos resistivos dos quais se destacam:
a) Elementos resistivos de junção Nestes elementos uma força ou deslocamento produz uma mudança de resistência no dispositivo. Constitui-se de dois contatos e um ou vários discos de material resistivo, como carvão ou grafite. Com o stress induzido pela força (F) ou deslocamento (ä) o caminho da corrente muda
variando assim a resistência do elemento de forma não linear. Exemplo: Microfone de carvão usado nos antigos telefones.
Fig. 2.2 – Elemento resistivo de junção
b) Elementos potenciométricos Os elementos potenciométricos são utilizados para converter deslocamentos lineares ou angulares em mudanças de resistência elétrica. Este elemento possui uma resistência, um contato deslizante e três terminais para sua interconexão.
Fig. 2.3 – Elemento potenciométrico
O potenciômetro, em geral, é ligado como um divisor de tensão e seu contato central é ligado a uma carga ou a entrada do próximo bloco. Sabendo que as características do enrolamento não mudam, podemos afirmar que a variação da tensão de saída depende apenas da posição do cursor.
c) Elementos termoresistivos São resistores que variam sua resistência de acordo com a temperatura incidente, entre os quais destacam-se:
Termistores A resistência de alguns semicondutores apresenta mudanças exponenciais de resistência com a temperatura, em geral são óxidos metálicos como cromo, cobalto, ferro, manganês, rutênio e níquel, misturados em certas proporções para obter uma constante do termistor adequada. Para termistores NTC, a resistência decresce com a temperatura como podemos verificar na figura abaixo:
Fig. 2.6 – Comportamento de termistores NTC Os termistores quando associados com resistores fixos comuns podem ser linearizados, escolhendo o valor do resistor fixo e a forma de conexão.
d) Elementos piezoresistivos Os piezoresistores, strain gages ou extensômetros elétricos são dispositivos que produzem a mudança da resistência de um material condutivo em resposta a uma deformação mecânica. Este material pode ser um líquido, um plástico, um metal ou um semicondutor. Sabe-se que um resistor de acordo com a lei de Ohm pode ser expresso assim:
A
R = ρ.^ l
Sendo: ρρ - resistividade do elemento l – comprimento do resistor A – seção do resistor
A variação unitária de um strain gage é dada pelas variações de resistividade, comprimento e seção:
A
A
l
l R
∆ R =∆ +∆ −∆
ρ
ρ
Na especificação de um strain gage deve-se considerar a resistência nominal e o fator Gage que é definido como:
l
l
R
R
G ∆
A figura abaixo ilustra um strain gage de filme metálico em base polimérica que pode ser colado numa superfície.
Fig. 2.7 – Strain Gage ou extensômetro elétrico
Na tabela abaixo são apresentadas diversas formas de ligar strain gages para maximizar sua saída quando conectados a uma ponte de Wheatstone. Assim é possível realizar medidas usando 1, 2 e 4 strain gages colocado de forma adequada na ponte, para medir deformações uniaxiais de tensão ou compressão, deformações devido a dobras em tensão ou compressão, torque, força e deslocamento, etc.
Mudanças na separação entre as placas, área comum e dielétrico permitem usar estes elementos com transdutores.
2.4 Elementos Indutivos
Indutância é a propriedade de um dispositivo de reagir às mudanças de corrente elétrica que circulam através do elemento. Esta propriedade pode ser modificada variando as características do caminho magnético, através de variações no comprimento, área, gap, permeabilidade ferromagnética, conexão ou colocação do enrolamento. A indutância de uma bobina com núcleo ferromagnético pode ser expressa da seguinte forma:
A
l
L N
r ∗
μ
2
Sendo: L – Indutância (H) N – número de voltas l – comprimento da bobina (m) A – área comum entre as duas placas (m^2 )
Fig. 2.8 – Indutância típica
2.5 Elementos eletrodinâmicos
A operação dos elementos eletrodinâmicos esta baseada nos princípios de interação eletromagnética. Um exemplo desta interação eletromagnética é descrito na Lei de Faraday: “Todo condutor mergulhado em um campo magnético variável apresenta uma diferença de potencial em seus terminais.”
Bobina móvel Na figura abaixo uma bobina de N voltas está solidária a um diafragma cônico similar ao utilizado em um alto-falante. O imã permanente introduz um campo perpendicular à direção da corrente na bobina e quando uma pressão acústica incide sobre o diafragma, a bobina se movimenta dentro do campo magnético fazendo surgir uma diferença de potencial em seus terminais. Este princípio pode ser utilizado para medições de aceleração, vibrações, etc.
Fig. 2.9 – Transdutor eletrodinâmico
2.6 Elementos piezoelétricos
Os dispositivos piezoelétricos produzem trabalho mecânico quando excitados eletricamente, ou podem gerar energia elétrica quando atuados mecanicamente. São usados materiais como quartzo, titanato de bário e PZT (titanato zirconato de chumbo), assim como polímeros flexíveis. Estes dispositivos encontram as seguintes áreas de aplicação:
- Conversão de deslocamentos, acelerações, forças, pressão, tensão e deformação;
- Deslocamentos, forças ou ondas acústicas em resposta a uma tensão aplicada;
2.7 Elementos termoelétricos
Os elementos termoelétricos ou termopares desenvolvem um potencial elétrico proporcional à diferença de temperatura entre junções frias e quentes de metais diferentes. Os termopares apresentam uma extensa faixa de trabalho larga (desde quase -270 até 2700 ºC), são muito baratos e fáceis de usar.
fototransistor) e a intensidade é proporcional à temperatura desse objeto. A temperatura é mostrada diretamente em um display.
3.3 Transdutores resistivos
Transdutores resistivos utilizam à propriedade da variação da resistência de condutores elétricos com a temperatura. A variação pode ser positiva ou negativa com a temperatura.
- RTD (Resistance Temperature Detectors) – são sensores do tipo PTC, normalmente feitos de prata ou platina. Possuem boa linearidade, a resistência aumenta com a temperatura e a faixa de operação varia de –200ºC a 850ºC. O sensor mais comum é o PT-100, que possui uma resistência de100Ω a 0ºC. Os RTDs são utilizados em circuitos que necessitem de alta precisão.
Fig. 3.2 – Termoresistências utilizando três ou quatro fios.
- Termistores – são sensores que variam sua resistência pela temperatura de seu material devido à variação de temperatura externa ou pelo efeito Joule (corrente que percorre o sensor). Materiais que aumentam sua resistência com a temperatura possuem coeficiente de temperatura positivo (PTC). Materiais que diminuem sua resistência com a temperatura possuem coeficiente de temperatura negativo (NTC). A grande maioria dos termistores é do tipo NTC, mas existem termistores do tipo PTC para aplicações especiais. A faixa de temperatura varia de –20ºC a 150ºC.
3.4 Junção semicondutora
A temperatura pode afetar dispositivos semicondutores, como transistores e diodos. Essa característica permite que componentes semicondutores possam ser utilizados como sensores de temperatura. Quando uma junção semicondutora é atravessada por uma corrente constante, a tensão nessa junção varia linearmente com a temperatura. Circuitos integrados, como o LM335, são utilizados como sensores de temperatura e fornecem uma relação conhecida de tensão em suas saídas (mV/ºC).
3.5 Termopares
Através da junção de dois metais diferentes existe uma diferença de potencial, dependente dos metais usados e a temperatura na junção. Assim, um termopar são dois fios metálicos que formam um circuito com duas junções como o mostrado na figura 3. Quando a temperatura é igual nas duas junções o potencial produzido é zero, quando a temperatura é diferente nas duas junções existe um potencial efetivo, para isto uma das junções é tomada como referência e se mantém a temperatura constante.
Fig. 3.3 – Termopar genérico
sensor semicondutor e um circuito de compensação que fornece uma tensão de E, a qual é subtraída da tensão medida, corrigindo assim a leitura no voltímetro.
Fig. 3.5 – Circuito de compensação para termopares
Outra forma de realizar medidas com termopares de maneira confiável é através da utilização de fios de compensação, conforme ilustração a seguir:
Fig. 3.6 – Ligação de termopares usando fios de compensação
Considerando o mesmo circuito da figura 3.6, podemos verificar que a utilização de fios de cobre entre o cabeçote e o registrador provocaria um erro de 13 ºC.
Fig. 3.7 – Ligação de termopares usando fios de cobre
Outro erro comum em sistemas com termopares é a inversão de polaridade em algum ponto do sistema. Para inversão simples na conexão dos cabos de compensação, teríamos o seguinte efeito:
Fig. 3.8 – Inversão dos cabos de compensação
Resumindo, podemos concluir que a força que atua em um corpo gera uma deformação (alongamento) linear, positiva ou negativa.
Strain Gage (Extensômetro) O strain gage é um sensor que tem sua resistência alterada pela ação de uma força de tração ou compressão. A figura 4.2 mostra um modelo típico de strain gage.
Fig. 4.2 - Strain gage ou extensômetro. O princípio de funcionamento é mostrado através da seguinte equação:
A
R =ñl
Sendo: ρρ = constante resistiva do material (resistividade) l = comprimento A = área de seção transversal O sensor, ao ser submetido a uma força, tem seu comprimento (l) modificado. Como a resistividade (ρ) e a área (A) não são alteradas, a resistência final é linear e varia com o comprimento (l). Para ser utilizado, o strain gage deve ser colado na superfície do material que será submetido pela força. O sensor deve estar bem colado e alinhado para que as deformações do corpo sejam transferidas para o strain gage, conforme mostra a figura 4.3.
Fig. 4.3 - Sensor colado na superfície do material.
O melhor método para medição com strain gages é a utilização de uma ponte de Wheatstone e um circuito condicionador de sinais conforme abordado no item d , do capítulo 2..
4.2 Medição de pressão
A pressão é uma das grandezas mais importantes na indústria. Muitos processos necessitam do monitoramento constante da pressão para se evitar acidentes. O aparato mais simples para se medir a pressão é a coluna de líquido. A figura 4.4 mostra seu funcionamento.
Fig. 4.4 - Medição de pressão por coluna de líquido.
Outra forma de se medir a pressão é por meio do tubo de Bourdon. A pressão causa a deformação de um tubo que, proporcionalmente, desloca o ponteiro em uma escala.
Fig. 4.5 - Medição de pressão com o tubo de Bourdon.