Instrumentação industrial, Notas de estudo de Tecnologia Industrial
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Instrumentação industrial, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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CURSO TÉCNICO EM PROCESSOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Federação das Indústrias do Estado de Santa Catarina

Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

Departamento Regional de Santa Catarina

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

Tubarão - 2003

É autorizada a reprodução total ou parcial deste material por qualquer meio ou sistema desde que a fonte seja citada. Equipe Técnica: Organizadores: Vanderlei Baldessar Nelson de Souza Dinorzete Henrique Nunes Júlio Cesar Fernandes Coordenador: Nelson de Souza Julio Cesar Fernandes Digitadores: Ramon de Souza Martins Michel Borges Rodrigues Professor Responsável: Nelson de Souza Revisão Técnica: Engenheiro Dinorzete Henrique Nunes Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de Santa Catarina SENAI – Centro de Educação e Tecnologia de Tubarão www.senaidetubarao.com.br Avenida Marcolino Martins Cabral, 184 – Centro CEP 88701-000 – Tubarão – SC Fone: (48) 621-5600 Fax: (48) 621-5601

Sumário

1. Aspectos Gerais da Área de Instrumentação ..................................................................... 1 1.1. Histórico .................................................................................................................... 1 1.2. Terminologia ............................................................................................................. 2

1.2.1. Faixa de Medida (range)..................................................................................... 2 1.2.2. Alcance (span).................................................................................................... 2 1.2.3. Erro ..................................................................................................................... 3 1.2.4. Exatidão.............................................................................................................. 3 1.2.5. Rangeabilidade (largura de faixa)....................................................................... 3 1.2.6. Zona Morta ......................................................................................................... 3 1.2.7. Sensibilidade........................................................................................................ 4 1.2.8. Histerese .............................................................................................................. 4 1.2.9. Repetibilidade..................................................................................................... 4 1.2.10. Linearidade ........................................................................................................ 4

1.3. Funções de Instrumentos ........................................................................................... 4 1.4. Identificação de Instrumentos..................................................................................... 6 1.5. Principais Sistemas de Medida ................................................................................ 10

1.5.1. Sistema Métrico Decimal ................................................................................. 10 1.5.2. Sistema Físico ou Cegesimal............................................................................. 10 1.5.3. Sistema Industrial Francês................................................................................ 10 1.5.4. Sistema Inglês................................................................................................... 10

1.6. Telemetria................................................................................................................. 10 1.6.1. Transmissores .................................................................................................... 11

2. Pressão ............................................................................................................................ 13 2.1. Conceitos Fundamentais.......................................................................................... 13

2.1.1. Pressão Atmosférica .......................................................................................... 14 2.1.2. Pressão Relativa................................................................................................ 14 2.1.3. Pressão Absoluta .............................................................................................. 14 2.1.4. Pressão Negativa ou Vácuo .............................................................................. 14 2.1.5. Pressão Diferencial ............................................................................................ 15 2.1.6. Pressão Estática ................................................................................................ 15 2.1.7. Pressão Dinâmica ou Cinética ........................................................................... 15

2.2. Medição de Pressão .................................................................................................. 15 2.2.1. Unidades de Pressão .......................................................................................... 15 2.2.2. Dispositivos para Medição de Pressão .............................................................. 16 2.2.3. Tipos de Elementos Sensíveis ........................................................................... 16

3. Temperatura..................................................................................................................... 24 3.1. Conceitos Fundamentais........................................................................................... 24

3.1.1. Transmissão de Calor ........................................................................................ 24 3.1.2. Medição de Temperatura ................................................................................... 25 3.1.3. Escalas de Temperatura ..................................................................................... 26

3.2. Medidores de Temperatura...................................................................................... 28 3.2.1. Líquido ............................................................................................................. 28 3.2.2. Termômetros a Pressão de Gás......................................................................... 32 3.2.3. Termômetro a Pressão de Vapor ...................................................................... 33 3.2.4. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) .................... 34 3.2.5. Medição de Temperatura com Termopar ......................................................... 36 3.2.6. Associação de Termopares ............................................................................... 44

3.2.7. Termopares e Acessórios.................................................................................. 45 3.2.8. Medição de Temperatura por Termômetro de Resistência............................... 47 3.2.9. Medição de Temperatura por Radiação............................................................ 51 3.2.10. Medição de Temperatura Superficial ............................................................. 56

4. VAZÃO .......................................................................................................................... 57 4.1. Medição de Vazão ................................................................................................... 57 4.2. Tipos de Medidores de Vazão ................................................................................. 57

4.2.1. Medidores de Quantidade................................................................................. 57 4.2.2. Medidores Volumétricos .................................................................................. 58 4.2.3. Medidores de Vazão por ∆P Constante (área variável).................................... 75 4.2.4. Medidores Especiais de Vazão ......................................................................... 77

5. NÍVEL ............................................................................................................................. 85 5.1. Introdução................................................................................................................. 85 5.2. Métodos de Medição de Nível.................................................................................. 85

5.2.1. Medição de Nível Direta.................................................................................... 85 5.2.2. Medição de Nível Indireta ................................................................................. 89

6. Medição Analítica............................................................................................................ 98 6.1. Introdução................................................................................................................. 98 6.2. Analisadores de Gases de Combustão ...................................................................... 98

6.2.1. Analisadores Químicos...................................................................................... 98 6.2.2. Analisadores Termocondutivímetros............................................................... 100 6.2.3. Analisadores por Combustão Catalítica .......................................................... 103 6.2.4. Analisadores Termomagnéticos ...................................................................... 104 6.2.5. Analisador Eletroquímico de Oxigênio ........................................................... 106 6.2.6. Analisadores de Oxigênio Dissolvido ............................................................. 107 6.2.7. Analisadores de Hidrogênio Dissolvido.......................................................... 109 6.2.8. Sistemas de Amostragem de Gás .................................................................... 110 6.2.9. Medidores de Ph .............................................................................................. 111 6.2.10. Medição de Condutividade Elétrica .............................................................. 113

7. Instrumentos para Supervisão........................................................................................ 114 7.1. Introdução............................................................................................................... 115 7.2. Medidores de Rotação ............................................................................................ 115 7.3. Detectores de vibração............................................................................................ 115 7.4. Detectores de Expansão Diferencial....................................................................... 116 7.5. Detectores de Excentricidade ................................................................................. 117

8. Elemento Final de Controle........................................................................................... 118 8.1.Tipos de Válvula de Controle.................................................................................. 118

8.1.1. Introdução....................................................................................................... 118 8.1.2. Tipos de Corpos............................................................................................... 118 8.1.3. Válvulas de Deslocamento Linear da Haste .................................................... 119 8.1.4. Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste................................................ 134

8.2. Atuadores para Válvulas de Controle..................................................................... 140 8.2.1. Introdução....................................................................................................... 140 8.2.2. Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma ................................................ 140 8.2.3. Atuador Pneumático Tipo Pistão.................................................................... 142 8.2.4. Atuador Elétrico ............................................................................................. 143 8.2.5. Atuador Eletro-Hidráulico.............................................................................. 143 8.2.6. Atuador Hodráulico ........................................................................................ 144 8.2.7. Posição de Segurança por falha ...................................................................... 144

8.3. Acessórios de uma Válvula de Controle................................................................. 146

8.3.1. Introdução....................................................................................................... 146 8.3.2. Posicionador Pneumático ............................................................................... 146 8.3.3. Posicionador Eletro-Pneumático .................................................................... 150 8.3.4. Válvulas Solenóides ....................................................................................... 151 8.3.6. Válvula Fixadora de Ar .................................................................................. 152 8.3.7. Transmissor de Posição .................................................................................. 152 8.3.8. Transdutores Eletro-pneumáticos ................................................................... 152 8.3.9. Conjunto Filtro-Regulador de Ar ................................................................... 152 8.3.10. Volantes Manuais ......................................................................................... 153

8.4. Características das Válvulas de Controle ............................................................... 154 8.4.1. Característica Linear....................................................................................... 154 8.4.2. Característica de Igual Porcentagem .............................................................. 154 8.4.3. Característica Parabólica Modificada............................................................. 155 8.4.4. Característica de Abertura Rápida.................................................................. 156 8.4.5. Características de Válvulas Borboletas .......................................................... 156 8.4.6. Coeficiente de Vazão – Cv ............................................................................. 156

8.5. Outros Tipos de Atuadores .................................................................................... 157 8.5.1. Válvulas Reguladoras de Pressão Auto-Operadas........................................... 157 8.5.2. Válvulas de Segurança.................................................................................... 159 8.5.3. Atuadores de Console..................................................................................... 159

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1. ASPECTOS GERAIS DA ÁREA DE INSTRUMENTAÇÃO

1.1. HISTÓRICO

Os processos industriais exigem controle na fabricação de seus produtos. Estes processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, etc.

Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança.

No princípio da era industrial, o operário atingia os objetivos citados através de controle manual destas variáveis, utilizando somente instrumentos simples (manômetro, termômetro, válvulas manuais, etc.) e isto era suficiente, porque os processos eram simples. Com o passar do tempo, estes foram se complicando, exigindo um aumento da automação nos processos industriais, através dos instrumentos de medição e controle. Enquanto isso, os operadores iam se liberando de sua atuação física direta no processo e, ao mesmo tempo, ocorria a centralização das variáveis em uma única sala.

Devido à centralização das variáveis do processo, podemos fabricar produtos que seriam impossíveis através do controle manual. Mas, para atingir o nível que estamos hoje, os sistemas de controle sofreram grandes transformações tecnológicas, como: controle manual, controle mecânico e hidráulico, controle pneumático, controle elétrico, controle eletrônico e atualmente controle digital.

Os processos industriais podem dividir-se em dois tipos: processos contínuos e processos descontínuos. Em ambos os tipos, deve-se manter as variáveis próximas aos valores desejados.

O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara o valor da variável do processo com o valor desejado e toma uma atitude de correção de acordo com o desvio existente sem a intervenção do operador.

Para que se possa fazer esta comparação e conseqüentemente a correção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.

Figura 1.1 – Malha de Controle Fechada

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Este conjunto de unidades forma uma malha de controle, que pode aberta ou fechada. Na Figura 1.1 vemos uma malha fechada e na Figura 1.2 vemos uma malha de controle aberta.

Figura 1.2 – Malha de Controle Aberta

1.2. TERMINOLOGIA

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos (química, siderúrgica, papel, etc.) têm sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle.

A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes, os usuários e os organismos que intervêm diretamente ou indiretamente no campo do instrumentação industrial. 1.2.1. Faixa de Medida (range)

Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos.

Exemplo: 100 a 500 m3 0 a 20 psi

1.2.2. Alcance (span) É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 100 – 500 m3 Seu span é de 400 m3.

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1.2.3. Erro

É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou menos.

Quando tivermos a variável alterando seu valor ao longo do tempo, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamada de erro dinâmico. 1.2.4. Exatidão

Podemos definir como sendo a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.

A exatidão pode ser descrita de três maneiras:

- Percentual do Fundo de Escala (% do F.E.) - Percentual do Span (% do span) - Percentual do Valor Lido (% do V.L.) Exemplo: Para um sensor de temperatura com range de 50 a 250 °C e valor medido

100°C, determine o intervalo provável do valor real para as seguintes condições:

· Exatidão 1 % do Fundo de Escala Valor real = 100°C ± (0,01 x 250) = 100°C ± 2,5°C · Exatidão 1 % do Span Valor real = 100°C ± (0,01 x 200) = 100°C ± 2,0°C · Exatidão 1 % do Valor Lido (Instantâneo) Valor real = 100°C ± (0,01 x 100) = 100°C ± 1,0°C 1.2.5. Rangeabilidade (largura de faixa)

É a relação entre o valor máximo e o valor mínimo, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento.

Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto),

com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, a exatidão será respeitada entre 30 e 300 GPM. 1.2.6. Zona Morta É a máxima variação que a variável pode ter sem que provoque alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200°C e com zona morta de:

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1.2.7. Sensibilidade

É a mínima variação que a variável pode ter, provocando alteração na indicação ou sinal de saída de um instrumento.

Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 500°C e com sensibilidade de 0,05% terá valor de:

1.2.8. Histerese

É o erro máximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala nos sentidos ascendente e descendente.

Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. Deve-se destacar que a expressão zona morta está incluída na histerese.

Exemplo: Num instrumento com range de -50°C a 100°C, sendo sua histerese de ± 0,3 %, o erro será 0,3 % de 150°C = ± 0,45°C.

1.2.9. Repetibilidade

É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do span do instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histerese. 1.2.10. Linearidade

É o desvio máximo da indicação obtida tornando com referência a reta que une os pontos referentes a 0% e 100% da escala. 1.3. FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que desempenham no processo.

a) Indicador: Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na

qual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas. A figura 1.3 ilustra dois tipos de indicadores.

Figura 1.3 – Tipos de indicadores analógico e digital

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b) Registrador: Instrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico. Alguns destes registradores podem ser vistos na figura 1.4.

Figura 1.4 – Alguns tipos de registradores

c) Transmissor: Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. A figura 1.5 mostra alguns transmissores típicos.

Figura 1.5 – Transmissores de pressão diferencial e de temperatura

d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais

quantidades físicas, modifica, caso necessário, estas informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo. O conversor é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.

Figura 1.6 – Tipos de transdutores

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e) Controlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 1.7 – Alguns tipos de controladores

f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da

variável manipulada de uma malha de controle.

Figura 1.8 – Elementos finais de controle

1.4. IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS

As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizadas nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será identificada por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence.

Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. O Quadro 1.1 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a

norma estabelecida.

P RC 001 02 A

Variável Função Área da Atividade

No Seqüencial Da Malha

Identificação Funcional Identificação da Malha

S U F I X O

Identificação do Instrumento (PRC 001 02 A)

Quadro 1.1 – Identificação de instrumentos de acordo com a norma ISA-S5

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Onde: P - Variável medida – Pressão R - Função passiva ou de informação – Registrador C - Função ativa ou de saída – Controlador 001 - Área de atividade onde o instrumento atua

02 - Número seqüencial da malha A - Sufixo

O Quadro 1.2 mostra a simbologia de sinais utilizados nos fluxogramas de processos.

Suprimento ou Impulso

Sinal não Definido

Sinal Pneumático

Sinal Elétrico

Sinal Hidráulico

Tubo Capilar

Sinal Eletromagnético ou Sônico Guiado

Sinal Eletromagnético ou Sônico não Guiado

Ligação por Software

Ligação Mecânica

Sinal Binário

Pneumático

Sinal Binário Elétrico

Quadro 1.2 – Símbolos de sinais de fluxogramas

No Quadro 1.3 podem ser vistos os símbolos de instrumentos utilizados nos

fluxogramas de processo, com os quais pode-se definir em que local da planta o instrumento está localizado.

Painel Principal Acessível ao Operador

Montado no Campo Painel Auxiliar

Acessível ao Operador Painel Auxiliar não

Acessível ao Operador

Instrumentos Discretos

Instrumentos Compartilhados

Computador de Processo

Controlador Lógico Programável

Quadro 1.3 – Símbolos de instrumentos utilizados em fluxogramas

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Como se percebe no Quadro 1.4, pode-se obter combinações possíveis de acordo com o funcionamento dos dispositivos automáticos. Exemplo: T - Temperatura R - Registrador P - Pressão I - Indicador F - Vazão V - Válvula L - Nível G - Visor H - Alto

1a LETRA LETRAS SUCESSIVAS Variável Medida Letra de Modificação

Função de Leitura Passiva Função de Saída

Letra de Modificação

A Analisador Alarme Alarme

B Queimador (Chama) Botão de Pressão

C Condutibilidade Elétrica Controlador

D Densidade ou

Peso Específico Diferencial

E Tensão (FEM) Elemento Primário

F Vazão Relação

G Medida Dimensional Visor

H Comando Manual Entrada Manual Alto

I Corrente Elétrica Indicação ou

Indicador

J Potência Varredura

K Tempo ou Programa Cálculos em

Sistema Digital

L Nível Lâmpada Piloto Baixo

M Umidade

Média Médio ou

Intermediário

N Vazão Molar

O Orifício ou Restrição

P Pressão Percentual Tomada de Impulso

Q Quantidade Integração

R Remoto Registrador

S Velocidade ou Freqüência Chave de

Segurança Interruptor ou

Chave

T Temperatura Transmissão

Transmissor

U Multivariável Cálculo feito por

Computador Multifunção Multifunção

V Vibração Válvula

W Peso ou Força Poço

Y Escolha do Usuário Solenóide

Conversor de Sinal Relê ou

Computador

Z Posição ou Deslocamento

Elemento Final de Controle

Quadro 1.4 – Identificação Funcional dos Instrumentos

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Figura 1.9 – Exemplos de localização de equipamentos, tipos de sinais de transmissão e funções de equipamentos

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1.5. PRINCIPAIS SISTEMAS DE MEDIDA

Os sistemas podem ser classificados quanto à natureza de suas unidades fundamentais, quanto ao valor dessas unidades e também quanto às relações escolhidas na determinação dos derivados.

Os principais sistemas são: 1.5.1. Sistema Métrico Decimal

Tem como unidades fundamentais o metro, o quilograma e o segundo (M.K.S).

1.5.2. Sistema Físico ou Cegesimal

Tem como unidades fundamentais o centímetro, o grama e o segundo (C.G.S). 1.5.3. Sistema Industrial Francês

Tem como unidades fundamentais o metro, a tonelada e o segundo (M.T.S.), definidas em função do sistema métrico decimal. 1.5.4. Sistema Inglês

Tem como unidades fundamentais o pé (foot), a libra (Pound) e o segundo (second). 1.6. TELEMETRIA

Chamamos de telemetria a técnica de transportar medições obtidas no processo a distância, em função de um instrumento transmissor.

A transmissão a distância dos valores medidos está tão intimamente relacionada com os processos contínuos, que a necessidade e as vantagens da aplicação da telemetria e do processamento contínuo se entrelaçam.

Um dos fatores que se destacam na utilização da telemetria é a possibilidade de centralizar instrumentos e controles de um determinado processo em painéis de controle ou em uma sala de controle.

Teremos, a partir daqui, inúmeras vantagens as quais não são difíceis de imaginar:

• Os instrumentos agrupados podem ser consultados mais facilmente e rapidamente, possibilitando à operação uma visão conjunta do desempenho da unidade.

• Podemos reduzir o número de operadores com simultâneo aumento da eficiência

do trabalho.

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• Cresce, consideravelmente, a utilidade e a eficiência dos instrumentos face às possibilidades de pronta consulta, manutenção e inspeção, em situação mais acessível, mais protegida e mais confortável.

1.6.1. Transmissores

Os transmissores são instrumentos que medem uma variável do processo e a transmitem, à distância, a um instrumento receptor, indicador, registrador, controlador ou a uma combinação destes.

Existem vários tipos de sinais de transmissão: pneumáticos, elétricos, hidráulicos e eletrônicos.

1.6.1.1. Transmissão Pneumática

Em geral, os transmissores pneumáticos geram um sinal pneumático variável, linear, de 3 a 15 psi (libras força por polegada ao quadrado) para uma faixa de medidas de 0 a 100 % da variável. Esta faixa de transmissão foi adotada pela SAMA (Scientific Apparatur Makers Association), Associação de Fabricantes de Instrumentos, e pela maioria dos fabricantes de transmissores e controladores dos Estados Unidos. Podemos, entretanto, encontrar transmissores com outras faixas de sinais de transmissão. Por exemplo: de 20 a 100 kPa.

Nos países que utilizam o sistema métrico decimal, utilizam-se as faixas de 0,2 a

1kgf/cm2 que equivalem, aproximadamente, de 3 a 15 psi. O alcance do sinal no sistema métrico é, aproximadamente, 5 % menor que o sinal de

3 a 15 psi. Este é um dos motivos pelos quais devemos calibrar os instrumentos de uma malha (transmissor, controlador, elemento final de controle, etc.) sempre utilizando uma mesma norma.

Note que o valor mínimo do sinal pneumático também não é zero, e sim, 3 psi ou 0,2 kgf/cm2. Deste modo, conseguimos calibrar corretamente o instrumento, comprovando sua correta calibração e detectando vazamentos de ar nas linhas de transmissão.

Percebe-se que, se tivéssemos um transmissor pneumático de temperatura de range de 0 a 200°C e o mesmo tivesse com o bulbo a 0°C e um sinal de saída de 1 psi, este estaria descalibrado.

Se o valor mínimo de saída fosse 0 psi, não seria possível fazermos esta comparação rapidamente. Para que pudéssemos detectá-lo, teríamos de esperar um aumento de temperatura para que tivéssemos um sinal de saída maior que 0 (o qual seria incorreto). 1.6.1.2. Transmissão Eletrônica

Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque estes instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída.

A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15 psi de

um sinal pneumático. O "zero vivo" utilizado, quando adotamos o valor mínimo de 4 mA, oferece a

vantagem também de podermos detectar uma avaria (rompimento dos fios, por exemplo), que provoca a queda do sinal, quando ele está em seu valor mínimo.

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1.6.1.3. Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)

É um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo Hart são as seguintes:

· Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. · Usa o mesmo tipo de cabo utilizado na instrumentação analógica. · Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações e a falta de economia de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento). 1.6.1.4. Fieldbus

É um sistema de comunicação digital bidirecional, que interliga equipamentos inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a Figura 1.10.

Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos, tais como:

transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade) e ter controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável: pressão, vazão, temperatura, etc.).

Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus.

Figura 1.10 – Sistema Fieldbus

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2. PRESSÃO

2.1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

A medição de pressão é um padrão de medida dos mais importantes, pois as medidas de vazão, nível, etc., podem ser feitas utilizando-se esse princípio.

Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área.

A lei de Pascal resumia-se em: “A pressão exercida em um ponto qualquer de um

líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais”. A figura 2.1 ilustra este preceito, podendo-se afirmar que uma garrafa de vidro pode

quebrar-se se a rolha for forçada a entrar na câmara cheia: o fluído, praticamente incompressível, transmite a força aplicada na rolha à garrafa, resultando disso, uma força excessivamente alta numa área maior que a da rolha.

Figura 2.1 – Pressão (força por unidade de área), é transmitida em todos os sentidos,

através de um líquido confinado

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2.1.1. Pressão Atmosférica

É a força exercida pela atmosfera na superfície terrestre. Esta força equivale ao peso dos gases que estão presentes no ar e que compõem atmosfera.

A pressão atmosférica pode variar de um lugar para o outro, em função da altitude e das condições meteorológicas (como a umidade e a densidade do ar). Ao nível do mar, esta pressão é de, aproximadamente, 760 mmHg ou 1 atm. Quanto mais alto o local, mais rarefeito é o ar e, portanto, menor é a pressão atmosférica. O instrumento que mede a pressão atmosférica é barômetro.

2.1.2. Pressão Relativa

É determinada tomando-se como referência a pressão atmosférica local. Para medi-la, usam-se instrumentos denominados manômetros. Por essa razão, a pressão relativa é também chamada de pressão manométrica.

A maioria dos manômetros é calibrada em zero para a pressão atmosférica local. Assim, a leitura do manômetro pode ser positiva (quando indica o valor da pressão acima da pressão atmosférica local) ou negativa (quando se tem um vácuo).

Quando se fala em pressão de uma tubulação, refere-se à pressão relativa ou manométrica. 2.1.3. Pressão Absoluta

É a soma da pressão relativa e atmosférica. No vácuo absoluto, pressão absoluta é zero e, a partir daí, será sempre positiva.

Importante: Ao exprimir-se um valor de pressão, deve-se determinar se a pressão

é relativa ou absoluta. Exemplo: 3 kgf/cm2 abs Pressão Absoluta 4 kgf/cm2 Pressão Relativa

O fato de se omitir esta informação na indústria significa que a maior parte dos

instrumentos mede pressão relativa. 2.1.4. Pressão Negativa ou Vácuo

É quando um sistema tem pressão relativa menor que a pressão atmosférica. A figura 2.2 ilustra o comparativo das escalas de pressão.

Figura 2.2 – Diagrama das escalas de pressão

Pressão Absoluta

Pressão Relativa

Pressão Atmosférica

Vácuo Absoluto Vácuo

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2.1.5. Pressão Diferencial

É a diferença entre 2 pressões, sendo representada pelo símbolo ∆P (delta P). Normalmente é utilizada para medir diferenciais de pressão de filtros, de bombas, vazão, nível, etc.

2.1.6. Pressão Estática

É o peso exercido por um líquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso por unidade de área exercida.

2.1.7. Pressão Dinâmica ou Cinética

É a pressão exercida por um fluído em movimento. É medida fazendo a tomada de impulso de tal forma que receba o impacto do fluxo.

2.2. MEDIÇÃO DE PRESSÃO

2.2.1. Unidades de Pressão

As unidades de pressão mais usadas são:

· quilograma-força por centímetro quadrado (Kgf/cm2); · atmosfera (atm); · libras por polegada quadrada (psi); · polegada de coluna de água ("ca); · milímetro de coluna de água (mmH20); · bar; · Pascal (Pa).

Como existem muitas unidades de pressão, é necessário saber correspondência entre elas, pois nem sempre na indústria temos instrumentos padrões com todas as unidades, sendo necessário saber fazer a conversão.

A tabela 2.1 apresenta as conversões entre várias unidades de pressão:

Tabela 2.1 – Fatores de conversão de unidades de pressão

16

2.2.2. Dispositivos para Medição de Pressão

O instrumento mais simples para se medir pressão é o manômetro e que pode ter vários elementos sensíveis. A figura 2.3 mostra alguns tipos de manômetros.

Para processos U Antivibrantes Industrial

Figura 2.3 – Tipos de manômetros

Vamos, então, ao estudo de alguns tipos de elementos sensíveis. 2.2.3. Tipos de Elementos Sensíveis

Os elementos sensíveis usados são: o tubo de Bourdon, (pode-se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal), membrana ou diafragma, fole, coluna de líquido e os com princípios elétricos.

2.2.3.1. Tubo Bourdon

O princípio de funcionamento de um dispositivo de medição, baseado neste elemento sensível, é bastante simples e idêntico a um brinquedo muito conhecido: a "língua de sogra", que pode ser vista na Figura 2.4. Quando soprada, a "língua de sogra" enche-se de ar e desenrola-se, por causa da pressão exercida pelo ar. No caso do manômetro, esse desenrolar gera um movimento que é transmitido ao ponteiro e que vai indicar a medida de pressão.

Figura 2.4 – Língua de Sogra

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O tubo de Bourdon pode-se apresentar nas seguintes formas: tipo C, espiral e helicoidal, os quais podem ser observados na figura 2.5.

C Espiral Helicoidal

Figura 2.5 – Tipos de tubos de Bourdon

A figura 2.6 mostra os detalhes de um manômetro com Bourdon tipo “C”.

Figura 2.6 – Manômetro com Bourdon tipo “C”

2.2.3.2. Membrana ou Diafragma

É constituído por um disco de material elástico (metálico ou não), fixo pela borda. Uma haste fixa ao centro do disco está ligada a um mecanismo de indicação. Quando uma pressão é aplicada, a membrana se desloca, e esse deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

A figura 2.7 ilustra alguns tipos de diafragma utilizados na fabricação de

manômetros.

Figura 2.7 – Tipos de diafragmas O diafragma geralmente é ondulado ou corrugado para aumentar sua área efetiva.

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2.2.3.3. Fole

É também muito empregado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado.

A figura 2.8 ilustra, esquematicamente, a medição de pressão com um tipo de fole.

Figura 2.8 – Tipo fole

Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e, como

ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. 2.2.3.4. Coluna de Líquido

Os instrumentos de medição de pressão do tipo coluna são utilizados na indústria como medidores locais. O mais comum constituísse de um tubo de vidro com seção transversal uniforme, dobrado em forma de “U”. O diâmetro interno não deve ser inferior a 8mm para que o efeito de capilaridade não introduza erros nas indicações obtidas. A coluna “U” é um instrumento simples e preciso. Pode ser usado para medição de pressão, vácuo ou pressão diferencial.

As colunas podem ser basicamente de três tipos: em forma de “U” (figura 2.9),

coluna reta vertical (figura 2.10) e reta inclinada (figura 2.11). Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e

mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna, o líquido é deslocado, sendo que este

deslocamento é proporcional à pressão aplicada.

Figura 2.9 – Manômetro de tubo em “U”

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Quando o manômetro está separado da linha de fluído, os dois lados do manômetro estão com o nível de água no zero da escala. Isso acontece porque os dois lados do manômetro estão sujeitos à pressão atmosférica. Com um lado do manômetro ligado à tubulação de distribuição de fluído (para medir a pressão do fluído) e o outro lado ainda sujeito à pressão atmosférica local, a coluna de água será forçada para baixo no lado pressurizado e elevada no lado sob ação da atmosfera. A pressão do fluído na tubulação é medida pelo deslocamento total da coluna de água e seu valor é dado em milímetros de coluna de água (mmca).

O deslocamento total da coluna de água (DT) é dado pela soma da elevação (E) no lado atmosférico e do abaixamento (A) no lado pressurizado. O abaixamento (A) no lado pressurizado é igual à elevação (E) no lado atmosférico. Por isso, o deslocamento total (DT) pode ser medido multiplicando-se o abaixamento (A) ou a elevação (E) por 2. Isso pode ser escrito em uma fórmula simples para a leitura da pressão no manômetro: DT = A + E ou DT = 2 x A ou DT = 2 x E

Figura 2.10 – Manômetro de coluna reta vertical

Figura 2.11 – Manômetro de tubo inclinado

Quando o produto usado tiver dr (densidade relativa) diferente de 1, a pressão será

calculada pela seguinte expressão matemática. DT = hP = h . dr

20

2.2.3.5. Tipo Capacitivo

A principal característica dos sensores capacitivos é a completa eliminação dos sistemas de alavancas na transferência da força/deslocamento entre o processo e o sensor.

Este tipo de sensor resume-se na deformação pelo processo de uma das armaduras do

capacitor. Tal deformação altera o valor da capacitância total que é medida por um circuito eletrônico. Esta montagem, se por um lado, elimina os problemas mecânicos das partes móveis, expõe a célula capacitiva às rudes condições do processo, principalmente a temperatura. Este inconveniente pode ser superado através de circuitos sensíveis à temperatura montados junto ao sensor.

Outra característica inerente à montagem é a falta de linearidade entre a capacitância e a distância das armaduras, devido á deformação não linear. Neste caso, faz-se necessário uma compensação (linearização) a cargo do circuito eletrônico.

Figura 2.12 – Sensor capacitivo

A figura 2.12 mostra um sensor capacitivo típico e a figura 2.13 mostra o desenho esquemático de uma célula capacitiva composta de dois capacitores variáveis.

Figura 2.13 – Esquema de um sensor capacitivo

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O elemento elástico, geralmente um diafragma metálico de aço inoxidável, sofre uma deformação que é proporcional à pressão diferencial aplicada. As capacitâncias da célula são medidas através de uma ponte capacitiva alimentada por uma tensão alternada de alta freqüência (10KHz, por exemplo). A tensão de desequilíbrio da ponte (tensão de saída) é função das variações das capacitâncias, que é proporcional à deflexão do diafragma. 2.2.3.6. Tipo Strain Gauge

Baseia-se no princípio de variação da resistência de um fio, mudando-se as suas dimensões.

Para variarmos a resistência de um condutor devemos analisar a equação geral da

resistência:

Onde R : Resistência do condutor ρ: Resistividade do material L : Comprimento do condutor S : Área da seção transversal

O sensor consiste de um fio firmemente colado sobre uma lâmina de base, dobrando- se tão compacto quanto possível.

Esta montagem denomina-se tira extensiométrica, como vemos na figura 2.14:

Figura 2.14 – Sensor tipo Strain Gauge

Observa-se que o fio (figura 2.15), apesar de solidamente ligado a lâmina de base,

Figura 2.15 – Sensor tipo Strain Gauge

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precisa estar eletricamente isolado da mesma. Uma das extremidades da lâmina é fixada em um ponto de apoio rígido, enquanto a outra extremidade será o ponto de aplicação de força.

Da física tradicional, sabemos que um material, ao sofrer uma flexão, tem suas fibras internas submetidas a dois tipos de deformação: tração e compressão.

Notamos que a ligação ideal para um Strain Gauge com quatro tiras extensiométricas é o circuito em ponte de Wheatstone (como mostrado na figura 2.16), que tem a vantagem adicional de compensar as variações de temperatura ambiente, pois todos os elementos estão montados em um único bloco.

Figura 2.16 – Ponte de Wheatstone com sensor Strain Gauge2.2.3.7. Sensor por Silício Ressonante

O sensor consiste de uma cápsula de silício colocada estrategicamente em um diafragma, utilizando-se do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, a fim de que essa freqüência seja proporcional à pressão aplicada.

A figura 2.17 ilustra, esquematicamente, formas de montagem de sensores de silício

ressonante.

Figura 2.17 – Sensor de silício ressonante

A figura 2.18 exibe com maiores detalhes os componentes de uma célula de pressão de silício ressonante, propiciando uma boa noção da sua construção.

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Figura 2.18 – Célula de pressão de silício ressonante

2.2.3.8. Tipo Piezelétrico

Os elementos piezelétricos são cristais (como o quartzo, a turmalina e o titanato) que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física por ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta, seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão e são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos por segundo.

O efeito piezelétrico é um fenômeno reversível. Se for conectado a um potencial

elétrico, resultará em uma correspondente alteração da forma cristalina. Este efeito é altamente estável e exato e por isso é utilizado em relógios de precisão.

A carga devida à alteração da forma é gerada sem energia auxiliar, uma vez que o quartzo é um elemento transmissor ativo. Esta carga é conectada à entrada de um amplificador, sendo indicada ou convertida em um sinal de saída para tratamento posterior. A figura 2.19 ilustra, esquematicamente, um sensor tipo piezelétrico.

Figura 2.19 – Sensor piezelétrico

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3. TEMPERATURA

3.1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Todas as substâncias são constituídas de pequenas partículas (moléculas) que se encontram em contínuo movimento. Quanto mais rápido o movimento das moléculas, mais quente se apresenta o corpo; quanto mais lento o movimento das moléculas, mais frio se apresenta o corpo. Então, define-se temperatura como o grau de agitação térmica das moléculas.

Na prática, a temperatura é representada em uma escala numérica, na qual quanto maior o seu valor, maior é a agitação das moléculas do corpo em questão.

O instrumento usado para medir temperatura é o termômetro. Por exemplo, usamos o termômetro para saber se uma pessoa está com febre, porque, com a medida do termômetro, sabemos se o corpo da pessoa está mais quente do que normal. Também com o termômetro, podemos verificar qual é a temperatura do ambiente: quanto mais fria uma noite, menor a temperatura mostrada pelo termômetro.

Um conceito que se confunde às vezes com o de temperatura é o de calor. Entretanto, calor é energia em trânsito ou a forma de energia que é transferida através da fronteira de um sistema em virtude da diferença de temperatura.

3.1.1. Transmissão de Calor

A literatura geralmente reconhece três meios distintos de transmissão de calor: condução, irradiação e convecção. 3.1.1.1. Condução

É um processo pelo qual o calor flui de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso, ou entre meios diferentes em contato físico direto.

3.1.1.2. Irradiação

É o processo de transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) propaga-se até o outro, através do espaço que os separa.

Sendo uma transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, a radiação não

exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também em meios materiais. Entretanto, não são todos os meios materiais que permitem a propagação das ondas de calor através deles.

Toda energia radiante (transportada por onda de rádio, infravermelha, ultravioleta, luz visível, raios x, raio gama, etc.) pode converter-se em energia térmica por absorção. Porém, só as radiações infravermelhas são chamadas de ondas de calor.

3.1.1.3. Convecção

Consideremos uma sala na qual liga-se um aquecedor elétrico em sua parte inferior. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que

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desce. A esse movimento de massas de fluido chamamos convecção, e as correntes de ar formadas são correntes de convecção. Outros exemplos de convecção são os fluxos das chaminés, o funcionamento dos radiadores e as correntes atmosféricas. Portanto, convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si. Notemos que não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos.

3.1.2. Medição de Temperatura

O objetivo de se medir e controlar as diversas variáveis físicas em processos industriais é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor.

Nos diversos segmentos de mercado (químico, petroquímico, siderúrgico, cerâmico, papel e celulose, farmacêutico, vidreiro, alimentício, hidrelétrico, nuclear entre outros) a monitoração da variável temperatura é fundamental para a obtenção do produto final especificado.

Termometria significa "Medição de Temperatura". Eventualmente o termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na etimologia das palavras, podemos definir:

• PIROMETRIA - Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação

térmica passam a se manifestar. • CRIOMETRIA - Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero

absoluto de temperatura. • TERMOMETRIA - Termo mais abrangente que incluiria tanto a Pirometria como a

Criometria, que seriam casos particulares de medição.

A diferença entre a temperatura de dois corpos determina a capacidade de troca de calor entre eles. Dois corpos distintos trocarão calor até que estejam em equilíbrio térmico, ou seja, até que se igualem as suas temperaturas. Este é o princípio básico da maioria dos medidores de temperatura.

Ao se modificar a temperatura de um corpo, são modificadas várias de suas propriedades físicas. Para se fabricar um medidor de temperatura, é necessário escolher uma dessas propriedades que caracterizam o estado térmico do corpo. O elemento de medição, ou elemento sensível, basear-se-á na variação dessa propriedade. Ao ser imerso no meio cuja temperatura quer-se determinar, o elemento de medição entrará em equilíbrio térmico com o meio. Será determinado, então, o valor do parâmetro físico escolhido, o que fornecerá, indiretamente, a temperatura do elemento sensível e, por extensão, a do meio em que ele se encontra.

Entretanto, a escolha desse parâmetro físico não é fácil, pois ele deve variar somente por influência da temperatura, não dependendo de outros fatores e ainda possibilitar a medição através de métodos relativamente simples e cômodos. Na realidade, não existe nenhuma propriedade termométrica que satisfaça plenamente esses requisitos em toda a gama de temperaturas. As dificuldades básicas na medição de temperatura são, portanto, a influência de fatores externos sobre os dispositivos de medida e também a inércia térmica do sistema (que provoca atraso na resposta).

26

3.1.3. Escalas de Temperatura

Desde o início da termometria, os cientistas, pesquisadores e fabricantes de termômetros sentiam a dificuldade para atribuir valores de forma padronizada à temperatura por meio de escalas reproduzíveis, como existia na época para peso, distância e tempo.

As escalas que ficaram consagradas pelo uso foram Fahrenheit e Celsius. A escala Fahrenheit é definida atualmente com o valor 32 no ponto de fusão do gelo e 212 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre estes dois pontos é dividido em 180 partes iguais, e cada parte é um grau Fahrenheit.

A escala Celsius é definida atualmente com o valor zero no ponto de fusão do gelo e 100 no ponto de ebulição da água. O intervalo entre os dois pontos está dividido em 100 partes iguais, e cada parte é um grau Celsius. A denominação "grau centígrado", utilizada anteriormente no lugar de "Grau Celsius", não é mais recomendada, devendo ser evitado o seu uso.

Tanto a escala Celsius como a Fahrenheit são relativas, ou seja, os seus valores numéricos de referência são totalmente arbitrários.

Se abaixarmos a temperatura de uma substância continuamente, atingimos um ponto limite além do qual é impossível ultrapassar pela própria definição de temperatura. Este ponto, onde cessa praticamente todo movimento atômico, é o zero absoluto de temperatura.

Através da extrapolação das leituras do termômetro a gás, pois os gases se liquefazem antes de atingir o zero absoluto, calculou-se a temperatura deste ponto na escala Celsius em -273,15°C.

Existem escalas absolutas de temperatura, assim chamadas porque o zero delas é fixado no zero absoluto de temperatura e as escalas absolutas atualmente em uso são: a escala Kelvin e a Rankine.

A escala Kelvin possui a mesma divisão da Celsius, isto é, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius, porém o seu zero se inicia no ponto de temperatura mais baixa possível: 273,15 graus abaixo do zero da escala Celsius.

A escala Rankine possui o mesmo zero da escala Kelvin, porém sua divisão é idêntica à da escala Fahrenheit. A representação das escalas absolutas é análoga às escalas relativas: Kelvin → 0 K e Rankine → 0 R (sem o símbolo de grau "°").

A escala Fahrenheit é usada principalmente na Inglaterra e nos Estados Unidos da América, porém seu uso tem declinado em favor da escala Celsius, de aceitação universal.

A escala Kelvin é utilizada nos meios científicos no mundo inteiro e deve substituir no futuro a escala Rankine quando estiver em desuso a Fahrenheit. Existe uma outra escala relativa, a Reamur, hoje praticamente em desuso. Esta escala adota como zero o ponto de fusão do gelo e 80 como o ponto de ebulição da água. O intervalo é dividido em oitenta partes iguais. (representação - °Re). 3.1.3.1. Conversão de Escalas

A figura 3.1 relaciona as principais escalas de temperatura.

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Figura 3.1 – Principais escalas de temperatura

Desta comparação, podemos retirar algumas relações básicas entre as escalas:

Outras relações podem ser obtidas combinando, as apresentadas, entre si.

Exemplo: O ponto de ebulição do oxigênio é -182,86°C. Exprimir esta temperatura

em:

As conversões de temperatura de uma escala para outra também podem ser feitas de

acordo com as seguintes fórmulas: °F = 1,8 x °C + 32 °C = (°F - 32) 1,8 K = °C + 273,16 R = °F + 459,67

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3.2. MEDIDORES DE TEMPERATURA

Os medidores de temperatura podem ser divididos em dois grupos: • Os que se baseiam nas alterações físicas dos materiais, tais como volume, pressão

etc. Exemplos: termômetros de líquido, termômetros bimetálicos, termômetros a pressão de vapor ou de gás.

• Os que se baseiam nas propriedades termoelétricas, como diferença de potencial,

resistividade, etc. Exemplos: termopares, termômetros de resistência. Alguns instrumentos, como os pirômetros óticos, utilizam a radiação emitida por um

corpo quente como propriedade termométrica. Nesse caso, o elemento de medição não entra em equilíbrio térmico com o corpo sujeito à determinação de temperatura.

3.2.1. Líquido 3.2.1.1. Características

Os termômetros de dilatação de líquidos baseiam-se na lei de expansão volumétrica de um líquido com a temperatura dentro de um recipiente fechado.

Os tipos podem variar conforme sua construção:

· recipiente de vidro transparente; · recipiente metálico. 3.2.1.2. Termômetros de Dilatação de Líquido em Recipiente de Vidro

É constituído de um reservatório, cujo tamanho depende da sensibilidade desejada, soldada a um tubo capilar de seção, mais uniforme possível, fechado na parte superior.

O reservatório e a parte do capilar são preenchidos por um líquido. Na parte superior do capilar, existe um alargamento que protege o termômetro no caso da temperatura ultrapassar seu limite máximo.

Após a calibração, a parede do tubo capilar é graduada em graus ou frações deste. A medição de temperatura se faz pela leitura da escala no ponto em que se tem o topo da coluna líquida.

Os líquidos mais usados são: mercúrio, tolueno, álcool e acetona. A tabela 3.1 mostra as características de alguns deles.

Líquido Ponto de Solidificação (°C)

Ponto de Ebulição (°C)

Faixa de Uso

(°C)

Mercúrio -39 + 357 -38 a 550

Álcool Etílico -115 + 78 -100 a 70

Tolueno -92 + 110 -80 a 100

Tabela 3.1 - Líquidos mais usados na construção de termômetros de vidro

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Nos termômetros industriais, o bulbo de vidro é protegido por um poço metálico e o tubo capilar por um invólucro metálico.

No termômetro de mercúrio, pode-se elevar o limite máximo até 550°C, injetando-se gás inerte sob pressão, evitando a vaporização do mercúrio.

Por ser frágil e impossível registrar sua indicação ou transmití-la à distância, o uso deste termômetro é mais comum em laboratórios ou em indústrias, com a utilização de uma proteção metálica.

A figura 3.2 ilustra alguns tipos de termômetros de dilatação de líquido em recipiente de vidro e formas de utilização com suas respectivas proteções.

Figura 3.2 – Tipos de termômetros de dilatação de líquido

3.2.1.3. Termômetro de Dilatação de Líquido em Recipiente Metálico

Neste termômetro, o líquido preenche todo o recipiente e, sob o efeito de um aumento de temperatura, dilata-se, deformando um elemento extensível (sensor volumétrico). Isto pode ser observado através da figura 3.3.

Figura 3.3 – Termômetro de dilatação de líquido em recipiente metálico

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Características dos elementos básicos deste termômetro:

Bulbo Suas dimensões variam de acordo com o tipo de líquido e, principalmente, com a sensibilidade desejada.

LÍQUIDO FAIXA DE UTILIZAÇÃO (°C)

Mercúrio -35 à +550

Xileno -40 à +400

Tolueno -80 à +100

Álcool 50 à +150

Tabela 3.2 - Líquidos mais usados e sua faixa de utilização

Capilar Suas dimensões são variáveis, sendo que o diâmetro interno deve ser o menor possível, a fim de evitar a influência da temperatura ambiente, porém não deve oferecer resistência à passagem do líquido em expansão. • Elemento de medição O elemento usado é o tubo de Bourdon, podendo ser: tipo C, tipo espiral e o tipo helicoidal, ilustrados na figura 3.4.

Figura 3.4 – Tipos de elementos de medição

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Os materiais mais usados são bronze fosforoso, cobre-berílio, aço inox e aço- carbono.

Pelo fato deste sistema utilizar líquido inserido num recipiente e da distância entre o elemento deformável (elemento sensor) e o bulbo ser considerável, as variações na temperatura ambiente afetam o líquido do capilar e o elemento deformável (elemento sensor), causando erro de indicação ou registro. Este efeito da temperatura ambiente é compensado de duas maneiras que são denominadas classe 1A e classe 1B. Na classe 1B a compensação é feita somente no sensor, através de uma lâmina bimetálica (figura 3.5). Este sistema é normalmente preferido por ser mais simples, porém o comprimento máximo do capilar para este sistema de compensação é de aproximadamente 6 metros.

Figura 3.5 – Compensador bimetálico (Classe 1B)

Quando esta distância for maior, o instrumento deve possuir sistema de compensação

classe 1A, onde a compensação é feita no sensor e no capilar por meio de um segundo capilar ligado a um elemento de compensação idêntico ao de medição, sendo os dois ligados em oposição. O segundo capilar tem comprimento idêntico ao capilar de medição, porém não está ligado a um bulbo (figura 3.6).

Figura 3.6 – Compensação total (Classe 1A)

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Aplica-se estes termômetros, em geral, na indústria para indicação e registro, pois permite leituras remotas e é o mais preciso dos sistemas mecânicos de medição de temperatura. Porém, não é recomendável para controle, por causa de seu tempo de resposta ser relativamente grande.

Recomenda-se não dobrar o capilar com curvatura acentuada para que não se formem restrições que prejudiquem o movimento do líquido em seu interior, causando problemas de medição.

3.2.2. Termômetros a Pressão de Gás 3.2.2.1. Princípio de Funcionamento

Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, consta de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre estes dois elementos, conforme pode ser observado na figura 3.7.

Figura 3.7 – Termômetro a pressão de gás

O volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura, o gás varia sua pressão conforme, aproximadamente, a lei dos gases perfeitos, com o elemento de medição operando como medidor de pressão. A Lei de Gay-Lussac expressa matematicamente este conceito:

Observa-se que as variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura,

sendo o volume constante.

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3.2.2.2. Características

O gás mais utilizado é o N2, geralmente a uma pressão de 20 a 50 atm, na temperatura mínima a medir. Sua faixa de medição vai de -100 a 600 °C, sendo o limite inferior devido à própria temperatura crítica do gás, e o superior devido ao recipiente apresentar maior permeabilidade ao gás nesta temperatura, o que acarretaria sua perda, inutilizando o termômetro.

GÁS TEMPERATURA CRÍTICA

Hélio (He) -267,8 °C

Hidrogênio (H2) -239,9 °C

Nitrogênio (N2) -147,1 °C

Dióxido de Carbono (CO2) -31,1 °C

Tabela 3.2 - Tipos de gás de enchimento

3.2.3. Termômetro a Pressão de Vapor 3.2.3.1. Principio de Funcionamento

Sua construção é bastante semelhante ao de dilatação de líquidos, baseando o seu funcionamento na Lei de Dalton: "A pressão de vapor saturado depende somente de sua temperatura e não de seu volume".

Portanto, para qualquer variação de temperatura, haverá uma variação na tensão de

vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em consequência disto, uma variação na pressão dentro do capilar.

A relação existente entre tensão de vapor de um líquido e sua temperatura é do tipo logarítmica e pode ser simplificada para pequenos intervalos de temperatura em:

onde:

• P1 e P 2 = Pressões absolutas relativa às temperaturas • T1 e T2 = Temperaturas absolutas • H e = Representa o calor latente de evaporação do líquido em questão

A figura 3.8 ilustra esquematicamente termômetros a pressão de vapor e um

exemplo típico de termômetro utilizado na indústria.

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Figura 3.8 – Termômetro a pressão de vapor

LÍQUIDO PONTO DE FUSÃO (°C) PONTO DE EBULIÇÃO (°C)

Cloreto de Metila -139 -24

Butano -135 -0,5

Éter Etílico -119 34

Tolueno -95 110

Dióxido de Enxofre -73 -10

Propano -190 -42

Tabela 3.2 – Líquidos mais utilizados e seus pontos de fusão e ebulição

3.2.4. Termômetro à Dilatação de Sólidos (Termômetros Bimetálicos) 3.2.4.1. Princípio de Funcionamento

Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura (uma boa noção pode ser observada nas ilustrações da figura 3.9).

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Figura 3.9 – Princípio de funcionamento do termômetro bimetálico3.2.4.2. Características de Construção

O termômetro bimetálico consiste em duas laminas de metal, com coeficientes de dilatação diferentes, sobrepostas, formando uma só peça. Variando-se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Na prática, a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, o que aumenta bastante a sensibilidade (figura 3.10).

Figura 3.10 – Características de construção do termômetro bimetálico

O termômetro mais usado é o de lâmina helicoidal (figura 3.11), e consiste em um

tubo bom condutor de calor, no interior do qual é fixado um eixo que por sua vez recebe um ponteiro que se desloca sobre uma escala. Normalmente, utiliza-se o invar (aço com 64% Fe e 36% Ni), com baixo coeficiente de dilatação, e o latão como metal de alto coeficiente de dilatação. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos é de -50 a 800°C, aproximadamente, sendo sua escala bastante linear. Possui exatidão na ordem de +/- 1 %.

Figura 3.11 – Termômetro bimetálico de lâmina helicoidal

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3.2.5. Medição de Temperatura com Termopar

Um termopar consiste de dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo, ao qual se dá o nome de junta quente ou junta de medição. A outra extremidade dos fios é levada ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente.

O ponto onde os fios que formam o termopar se conectam ao instrumento de medição é chamado de junta fria ou de referência. A figura 3.12 mostra um desenho esquemático e os componentes de uma ligação para medição de temperatura por termopar.

Figura 3.12 – Esquemático de ligação de um termopar

O aquecimento da junção de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este

princípio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilização de termopares para a medição de temperatura. Nas aplicações práticas, o termopar apresenta-se normalmente conforme a figura 3.13.

Quando dois metais ou semicondutores dissimilares são conectados e as junções mantidas a diferentes temperaturas, quatro fenômenos ocorrem simultaneamente: o efeito Seebeck, o efeito Peltier, o efeito Thomson e o efeito Volta. 3.2.5.1. Efeito Termoelétrico de Seebeck

Para medição de temperatura o efeito de interesse é o de Seebeck: “O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado, formado por dois condutores diferentes - A e B, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura T entre as suas junções. Denominamos a junta de medição de Tm e a outra junta de referência de Tr. A existência de uma f.e.m. térmica AB no circuito é conhecida como efeito Seebeck”.

Figura 3.13 – Efeito termoelétrico de Seebeck

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Quando a temperatura da junta de referência é mantida constante, verifica-se que a f.e.m. térmica é uma função da temperatura Tm da junção de teste. Este fato permite utilizar um par termoelétrico como um termômetro. O efeito Seebeck se produz pelo fato de que os elétrons livres de um metal diferem de um condutor para outro e dependem da temperatura. Quando dois condutores diferentes são conectados para formar duas junções, e estas são mantidas a diferentes temperaturas, a difusão dos elétrons nas junções se produz a ritmos diferentes.

O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura ( ∆T ) existente entre as juntas quente e fria, será, de um modo geral, indicado, registrado ou transmitido. 3.2.5.2. Leis Termoelétricas

Da descoberta dos efeitos termoelétricos, partiu-se, através da aplicação dos princípios da termodinâmica, à enunciação das três leis que constituem a base da teoria termoelétrica nas medições de temperatura com termopares. Portanto, fundamentados nestes efeitos e nestas leis, podemos compreender todos os fenômenos que ocorrem na medida de temperatura com estes sensores.

Lei do Circuito Homogêneo A f.e.m. termal, desenvolvida em um circuito termoelétrico de dois metais diferentes com suas junções às temperaturas T1 e T2, é independente do gradiente de temperatura e de sua distribuição ao longo dos fios".

Em outras palavras, a f.e.m. medida depende única e exclusivamente da composição química dos dois metais e das temperaturas existentes nas junções (figura 3.14).

Figura 3.14 – Lei do circuito homogênio

Um exemplo de aplicação prática desta lei é o fato de podermos ter uma grande

variação de temperatura em um ponto qualquer, ao longo dos fios dos termopares, sem que esta influencie na f.e.m. produzida pela diferença de temperatura entre as juntas. Portanto, pode-se fazer medidas de temperaturas em pontos bem definidos com os termopares, pois o importante é a diferença de temperatura entre as juntas. • Lei dos Metais IntermediáriosA soma algébrica das f.e.m. termais, em um circuito composto de um número qualquer de metais diferentes, é zero, se todo o circuito estiver à mesma temperatura".

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Deduz-se daí que em um circuito termoelétrico, composto de dois metais diferentes, a f.e.m. produzida não será alterada ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal

genérico, desde que as novas junções sejam mantidas a temperaturas iguais (figura 3.15).

Figura 3.15 – Lei dos metais intermediários

Onde se conclui que:

Um exemplo de aplicação prática desta lei é a utilização de contatos de latão ou

cobre, para interligação do termopar ao cabo de extensão no cabeçote. • Lei das Temperaturas Intermediárias A f.e.m. produzida em um circuito termoelétrico de dois metais homogêneos e diferentes entre si com as suas junções às temperaturas T1 e T3 respectivamente, é a soma algébrica da f.e.m. deste circuito com as junções às temperaturas T1 e T2 e a f.e.m. deste mesmo circuito com as junções às temperaturas T2 e T3”.

Figura 3.16 – Lei das temperaturas intermediárias

Um exemplo prático da aplicação desta lei é a compensação ou correção da

temperatura ambiente pelo instrumento receptor de milivoltagem.

3.2.5.3. Correlação da F.E.M. em Função da Temperatura

Visto que a f.e.m. gerada em um termopar depende da composição química dos condutores e da diferença de temperatura entre as juntas, isto é, a cada grau de variação de temperatura, podemos observar uma variação da f.e.m. gerada pelo termopar. Portanto, podemos construir uma tabela de correlação entre temperatura e a f.e.m. Por uma questão

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prática, padronizou-se a levantamento destas curvas com a junta de referência à temperatura de 0°C.

Figura 3.17 - Correlação da f.e.m. versus temperatura para os termopares

TIPO POSITIVO NEGATIVO TEMP. MIN. (°C)

TEMP. MAX. (°C)

T Cobre Constantan -200 +350

J Ferro Constantan 0 +750

*E Chromel Constantan -200 +900

K Chromel Alumel -200 +1250

R Platina – Ródio 13% Platina 0 +1450

S Platina – Ródio 10% Platina 0 +1450

*B Platina – Ródio 30% Platina – Ródio 6% +800 +1700

* Pouco usados

Tabela 3.3 – Composição e limites de temperatura para termopares

Essas tabelas foram padronizadas por diversas normas internacionais e levantadas de acordo com a Escala Prática Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68), recentemente atualizada pela ITS-90 para os termopares mais utilizados.

A partir dessas tabelas, podemos construir um gráfico conforme a Figura 3.17, onde está relacionada a milivoltagem gerada em função da temperatura para os termopares, segundo a norma ANSI, com a junta de referência a 0°C. A tabela 3.3 mostra a composição dos termopares, polarização dos elementos e os limites de temperatura para utilização para cada um dos tipos. Fatores como local de instalação, custo, linearidade e f.e.m. por °C na temperatura de operação, devem ser considerados.

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3.2.5.4. Tipos e Características dos Termopares

Existem várias combinações de 2 metais condutores operando como termopares. As combinações de fios devem possuir uma relação razoavelmente linear entre temperatura e f.e.m.: devem desenvolver uma f.e.m. por grau de mudança de temperatura que seja detectável pelos equipamentos normais de medição.

Foram desenvolvidas diversas combinações de pares de ligas metálicas, desde os mais corriqueiros de uso industrial, até os mais sofisticados para uso especial ou restrito a laboratório.

Essas combinações foram feitas de modo a obter-se uma alta potência termoelétrica, aliando-se ainda as melhores características, como homogeneidade dos fios e resistência à corrosão na faixa de utilização Assim, cada tipo de termopar tem uma faixa de temperatura ideal de trabalho que deve ser respeitada para que se tenha a maior vida útil do mesmo.

Podemos dividir os termopares em três grupos, a saber:

• Termopares básicos; • Termopares nobres; • Termopares especiais.

3.2.5.5. Correção da Junta de Referência

As tabelas existentes da f.e.m., gerada em função da temperatura para os termopares, têm fixado a junta de referência a 0°C (ponto de solidificação da água). Porém, nas aplicações práticas dos termopares, a junta de referência é considerada nos terminais do instrumento receptor e esta encontra-se à temperatura ambiente (normalmente diferente de 0°C e variável com o tempo), tornando, assim, necessário que se faça uma correção (automática ou manual) da junta de referência.

Os instrumentos utilizados para medição de temperatura com termopares costumam fazer a correção da junta de referência automaticamente. Um dos métodos utilizados é a medição da temperatura nos terminais do instrumento através de circuito eletrônico, sendo que este circuito adiciona à milivoltagem que chega aos terminais uma milivoltagem correspondente à diferença de temperatura entre 0°C e a temperatura ambiente.

Existem, também, alguns instrumentos em que a compensação da temperatura é fixa em 20°C ou 25°C. Neste caso, se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro, que será maior quanto maior for a diferença entre a temperatura ambiente e o valor fixo.

É importante não esquecer que o termopar mede realmente a diferença entre as temperaturas das junções. Então, para medirmos a temperatura do ponto desejado, precisamos manter a temperatura da junção de referência invariável. Para exemplificar, considere a Figura 3.18 com termopar tipo K.

Figura 3.18 – Correção da junta de referência com termopar tipo K

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Esta temperatura obtida pelo cálculo está errada, pois o valor da temperatura correta

que o termômetro deve medir é de 50°C.

A leitura agora está correta, pois 2,023 mV corresponde a 50°C, que é a temperatura

do processo. Hoje em dia a maioria dos instrumentos faz a compensação da junta de referência

automaticamente. A compensação da junta de referência pode ser feita manualmente: pega- se o valor da mV na tabela correspondente à temperatura ambiente e acrescenta-se o valor de mV lido por um milivoltímetro.

3.2.5.6. Fios de Compensação e Extensão

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura através de termopares, o elemento sensor não se encontra junto ao instrumento receptor. Nestas condições, torna-se necessário que o instrumento seja ligado ao termopar através de fios que possuam uma curva de força eletromotriz em função da temperatura similar àquela do termopar, afim de que no instrumento possa ser efetuada a correção na junta de referência.

Definições: • Convenciona-se chamar de fios aqueles condutores constituídos por um eixo sólido, e de

cabos aqueles formados por um feixe de condutores de bitola menor, formando um condutor flexível.

• Chama-se de fios ou cabos de extensão aqueles fabricados com as mesmas ligas dos

termopares a que se destinam. Exemplo: Tipo TX, JX, EX e KX. • Chama-se de fios ou cabos de compensação aqueles fabricados com ligas diferentes das

dos termopares a que se destinam, porém que forneçam, na faixa de utilização recomendada, uma curva da força eletromotriz em função da temperatura equivalente à desses termopares. Exemplo : Tipo SX e BX.

Os fios e cabos de extensão e compensação são recomendados na maioria dos casos

para utilização, desde que a temperatura ambiente esteja até um limite máximo de 200°C. Outro fator importante é ter o cuidado de saber a norma técnica que o cabo utiliza, pois isto determina a cor da isolação e o seu tipo conseqüentemente, para que possamos aplicá-lo corretamente.

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3.2.5.7. Erros de Ligação Usando fios de cobre

Geralmente na aplicação industrial, é necessário que o termopar e o instrumento encontrem-se relativamente afastados, por não convir que o aparelho esteja demasiadamente próximo ao local onde se mede a temperatura. Nestas circunstâncias, deve-se processar a ligação entre os terminais do cabeçote e o aparelho através de fios de extensão ou compensação.

Tal procedimento é executado sem problemas, desde que o cabeçote, onde estão os terminais do termopar e o registrador, esteja na mesma temperatura de medição.

Vejamos o que acontece (figura 3.19) quando esta norma não é obedecida.

Figura 3.19 – Erro de medição no uso de fio de cobre

Uma solução simples, normalmente usada na prática, é a inserção de fios de

compensação entre o cabeçote e o registrador. Estes fios de compensação em síntese nada mais são que outros termopares cuja função é compensar a queda da f.e.m., que aconteceu no caso estudado, ocasionada pela diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador.

Vejamos o que acontece se, no exemplo anterior, ao invés de cobre, usamos um fio compensado. A Figura 3.20 mostra de que maneira se processa a instalação.

Figura 3.20 – Medição usando fio compensado

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Como no caso acima, a f.e.m. efetiva no cabeçote é de 20,735 mV. Do cabeçote até o registrador, são utilizados fios de extensão ou compensados, os quais adicionam uma parcela igual a 0,570 mV à f.e.m., fazendo assim com que chegue ao registrador uma f.e.m. efetiva de 22,265 mV. Este valor corresponderá à temperatura real dentro do forno (538°C). A vantagem desta técnica provém do fato de que os fios de extensão ou compensação, além de terem custo menor que os fios do termopar propriamente dito, também são mais resistentes. • Inversão simples Conforme mostra a figura 3.21, os fios de compensação foram invertidos.

Figura 3.21 – Medição usando fio compensado com inversão simples

Assume-se que o forno esteja a 538°C, o cabeçote a 38°C e o registrador a 24°C. Devido à diferença de temperatura entre o cabeçote e o registrador, será gerada uma f.e.m. de 0,570 mV. Porém, em virtude da simples inversão, o fio positivo está ligado no borne negativo do registrador e vice-versa. Isto fará com que a f.e.m. produzida ao longo do circuito se oponha àquela do circuito de compensação automática do registrador, ocasionando que o registrador indique uma temperatura negativa. • Inversão Dupla

A seguir (figura 3.22), consideramos o caso da existência de uma dupla inversão. Isto acontece com freqüência, pois, quando uma simples inversão é constatada, é comum pensar-se que uma nova troca de ligação dos terminais compensará o erro. Porém, isto não acontece, e a única maneira de solucionar o problema será efetuar uma ligação correta.

Figura 3.22 – Medição usando fio compensado com dupla inversão

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3.2.6. Associação de Termopares Associação série

Podemos ligar os termopares em série simples (figura 3.23) para obter a soma das mV individuais. É a chamada termopilha. Este tipo de ligação é muito utilizado em pirômetros de radiação total, ou seja, para soma de pequenas mV.

Figura 3.23 – Associação série de termopares

O instrumento de medição pode ou não compensar a mV da junta de referência. Se

compensar, deverá compensar uma mV correspondente ao no de termopares aplicados na associação. • Associação série-oposta

Para medir a diferença de temperatura entre 2 pontos, ligamos os termopares em série oposta (figura 3.24). O que mede maior temperatura vai ligado ao positivo do instrumento. Os termopares sempre são do mesmo tipo. Exemplo: Os termopares estão medindo 56°C e 50°C respectivamente, e a diferença será medida pelo milivoltímetro.

Figura 3.24 – Associação série oposta de termopares

Não é necessário compensar a temperatura ambiente, desde que as juntas de

referência estejam à mesma temperatura.

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Associação em paralelo

Ligando 2 ou mais termopares em paralelo a um mesmo instrumento (figura 3.25), teremos a média das mV geradas nos diversos termopares, se as resistências internas forem iguais.

Figura 3.25 – Associação paralela de termopares

3.2.7. Termopares e Acessórios

As figuras 3.26 à 3.28 ilustram termopares convencionais, em sua montagem, com e sem isoladores, cabeçote típico em conjunto com bloco de ligação e proteção de termopares.

Figura 3.26 – Termopares convencionais

Figura 3.27 – Cabeçote e bloco de ligação

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Figura 3.28 – Poços de proteção para termopares

Os termopares são, geralmente, montados dentro de tubos de proteção metálicos para torná-los resistentes a eventuais choques mecânicos e corrosão ou abrasão do fluído. • Termopar de isolação mineral

O termopar de isolação mineral é constituído de um ou dois pares termoelétricos, envolvidos por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado em uma bainha externa metálica, detalhado pela figura 3.29. Devido a esta construção, os condutores do par termoelétrico ficam totalmente protegidos contra a atmosfera exterior. Conseqüentemente, a durabilidade do termopar depende da resistência à corrosão da sua bainha e não da resistência à corrosão dos condutores. Em função desta característica, a escolha do material da bainha é fator importante na especificação destes.

Figura 3.29 – Termopar de isolação mineral Como vantagens dos termopares de isolação mineral pode-se citar:

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Estabilidade na força eletromotriz A estabilidade da f.e.m. do termopar é caracterizada em função dos condutores

estarem completamente protegidos contra a ação de gases e outras condições ambientais, que normalmente causam oxidação e, conseqüentemente, perda da f.e.m. gerada.

Resistência mecânica

O pó muito bem compactado, contido dentro da bainha metálica, mantém os condutores uniformemente posicionados, permitindo que o cabo seja dobrado ou achatado, torcido ou estirado, suporte pressões externas e choque térmico, sem qualquer perda das propriedades termoelétricas.

Dimensão reduzida

O processo de fabricação permite a produção de termopares de isolação mineral, com bainhas de diâmetro externo até 1,0 mm, permitindo a medida de temperatura em locais que não eram anteriormente possíveis com termopares convencionais.

Impermeabilidade à água, óleo e gás

A bainha metálica assegura a impermeabilidade do termopar à água, óleo e gás.

Facilidade de instalação A maleabilidade do cabo, a sua pequena dimensão, longo comprimento e grande

resistência mecânica asseguram facilidade de instalação, mesmo nas situações mais difíceis.

Adaptabilidade

A construção do termopar de isolação mineral permite que o mesmo seja tratado como se fosse um condutor sólido. Em sua capa metálica, podem ser montados acessórios por soldagem ou brasagem e, quando necessário, sua seção pode ser reduzida ou alterada em sua configuração. • Resposta mais rápida

A pequena massa e a alta condutividade térmica do pó de óxido de magnésio proporcionam ao termopar de isolação mineral um tempo de resposta que é virtualmente igual ao de um termopar descoberto de dimensão equivalente.

Resistência a corrosão

As bainhas podem se selecionadas para resistir ao ambiente corrosivo.

Resistência de isolação elevada O termopar de isolação mineral tem uma resistência de isolação elevada, numa vasta

gama de temperaturas, a qual pode ser mantida sob condições mais úmidas.

Blindagem eletrostática A bainha do termopar de isolação mineral, devidamente aterrada, oferece uma

perfeita blindagem eletrostática ao par termoelétrico. 3.2.8. Medição de Temperatura por Termômetro de Resistência

Os métodos de utilização de resistências para medição de temperatura iniciaram-se ao redor de 1835, com Faraday, porém só houve condições de se elaborar as mesmas para utilização em processos industriais a partir de 1925. Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso.

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Devido a estas características, esse sensor é padrão internacional para a medição de temperatura na faixa de -270°C a 660°C, em seu modelo de laboratório.

3.2.8.1. Princípio de Funcionamento

Os bulbos de resistência são sensores que se baseiam no princípio de variação da resistência em função da temperatura. Os materiais mais utilizados para a fabricação destes tipos de sensores são a platina, cobre ou níquel, que são metais que apresentam características de:

• Alta resistividade, permitindo uma melhor sensibilidade do sensor; • Ter alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura; • Ter rigidez e ductilidade para ser transformado em fios finos.

3.2.8.2. Construção Física do Sensor

O bulbo de resistência compõe-se de um filamento, ou resistência de Pt, Cu ou Ni, com diversos revestimentos, de acordo com cada tipo e utilização.

Os termômetros de resistência de Ni e Cu têm sua isolação normalmente em esmalte,

seda, algodão ou fibra de vidro. Não existe necessidade de proteções mais resistentes a temperatura, pois acima de 300°C o níquel perde suas propriedades características de funcionamento como termômetros de resistência, e o cobre sofre problemas de oxidação em temperaturas acima de 310°C.

Os sensores de platina, devido a suas características, permitem um funcionamento até temperaturas mais elevadas e têm seu encapsulamento normalmente em cerâmica ou vidro. A este sensor são dispensados maiores cuidados de fabricação, pois, apesar da Pt não restringir o limite de temperatura de utilização, quando a mesma é utilizada em temperaturas elevadas, existe o risco de contaminação dos fios.

Para utilização como termômetro padrão, os sensores de platina são completamente desapoiados do corpo de proteção. A separação é feita por isoladores, espaçadores de mica, conforme desenho abaixo. Esta montagem não tem problemas relativos à dilatação, porém é extremamente frágil.

Figura 3.30 – Construção física do sensor

Os medidores parcialmente apoiados têm seus fios introduzidos numa peça de alumina de alta pureza com fixador vítreo (figura 3.30). É um meio termo entre resistência a vibração e dilatação térmica.

A versão completamente apoiada pode suportar vibrações muito mais fortes, porém sua faixa de utilização fica limitada a temperaturas mais baixas, devido à dilatação dos componentes.

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3.2.8.3. Características do Termômetro de Resistência de Platina

Os termômetros de resistência Pt-100 (100Ω à 0°C) são as mais utilizadas industrialmente, devido a sua grande estabilidade, larga faixa de utilização e alta precisão. Devido à alta estabilidade dos termômetros de resistência de platina, as mesmas são utilizadas como padrão de temperatura na faixa de -270°C a 660°C. A estabilidade é um fator de grande importância na indústria, devido a capacidade do sensor manter e reproduzir suas características (resistência versus temperatura) dentro da faixa especificada de operação.

Outro fator importante num sensor Pt 100 é a repetibilidade, que é a característica de

confiabilidade do termômetro de resistência. Repetibilidade deve ser medida com leitura de temperaturas consecutivas, verificando-se a variação encontrada quando da medição novamente na mesma temperatura.

O tempo de resposta é importante em aplicações onde a temperatura do meio,,em que se realiza a medição, está sujeita a mudanças bruscas. Considera-se constante de tempo como tempo necessário para o sensor reagir a uma mudança de temperatura e atingir 63,2 % da variação da temperatura.

Na montagem tipo isolação mineral, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada, e preenchidos todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si, sendo a extremidade aberta selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro e apresenta rápida velocidade de resposta (figura 3.31).

Figura 3.31 – Encapsulamento de um termômetro de resistência de platina

Vantagens: • Possuem maior precisão dentro da faixa de utilização do que outros tipos de sensores; • Com ligação adequada não existe limitação para distância de operação; • Dispensa utilização de fiação especial para ligação; • Se adequadamente protegidos, permite utilização em qualquer ambiente; • Têm boas características de reprodutibilidade; • Em alguns casos, substitui o termopar com grande vantagem. Desvantagens: • São mais caros do que os sensores utilizados nessa mesma faixa; • Deterioram-se com mais facilidade, caso haja excesso na temperatura máxima de

utilização; • Temperatura máxima de utilização 630°C; • É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para indicar

corretamente; • Alto tempo de resposta.

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3.2.8.4. Princípio de Medição

Os termômetros de resistência são normalmente ligadas a um circuito de medição tipo Ponte de Wheatstone, sendo que o circuito encontra-se balanceado quando é respeitada a relação R4 . R2 = R3 . RI e, desta forma, não circula corrente pelo detector de nulo, pois, se esta relação é verdadeira, os potenciais nos pontos A e B são idênticos (figura 3.32).

Figura 3.32 – Circuito de medição tipo ponte de Wheatstone

Para utilização deste circuito como instrumento de medida do termômetro de

resistência, teremos as seguintes configurações: • Ligação a 2 fios

Como se vê na figura 3.33, dois condutores de resistência relativamente baixa RL1 e RL2 são usados para ligar o sensor Pt100 (R4) à ponte do instrumento de medição.

Nesta disposição, a resistência R4 compreende a resistência da Pt100 mais a resistência dos condutores RL1 e RL2. Isto significa que os fios RL1 e RL2, a menos que sejam de muito baixa resistência, podem aumentar apreciavelmente a resistência do sensor.

Figura 3.33 – Ponte de Wheatstone com ligação a dois fios

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Tal disposição resultará em erro na leitura da temperatura, a menos que haja algum tipo de compensação ou ajuste dos fios do sensor, de modo a equilibrar esta diferença de resistência.

Deve-se notar que, embora a resistência dos fios não se altere em função do tamanho dos fios, uma vez já instalados, os mesmos estão sujeitos às variações da temperatura ambiente, o que introduz uma outra possível fonte de erro na medição.

O método de ligação a dois fios somente deve ser usado quando o sensor estiver a uma distância de, aproximadamente, 3 metros.

Concluindo, neste tipo de medição a 2 fios, sempre que a temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação variar, a leitura de temperatura do medidor introduzirá um erro, devido à variação da resistência de linha.

Ligação a 3 fios

Este é o método mais utilizado para termômetros de resistência na indústria. Neste circuito, a configuração elétrica é um pouco diferente, fazendo com que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceando o circuito. Na ligação a 2 fios, as resistências de linha estavam em série com o sensor e na ligação a 3 fios, elas estão separadas (figura 3.34).

Figura 3.34 - Ponte de Wheatstone com ligação a três fios

Nesta situação, tem-se a tensão EAB, variando linearmente em função da temperatura da Pt100 e independente da variação da temperatura ambiente ao longo dos fios de ligação. Este tipo de ligação garante relativa precisão mesmo com grandes distâncias entre elemento sensor e circuito de medição. 3.2.9. Medição de Temperatura por Radiação

Ao se medirem temperaturas em que o contato físico com o meio é impossível ou impraticável, faz-se uso da pirometria óptica ou de radiação térmica.

Um corpo aquecido emite energia mesmo que esteja no vácuo. Esta energia, a radiação térmica, é transportada por ondas eletromagnéticas, como a energia luminosa, mas com predominância de freqüências bem menores que as do espectro visível, enquanto o corpo está à temperatura não muito elevada. À medida que se aquece um corpo, a partir de

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temperaturas da ordem de 500°C, este começa a ficar visível, porque começa a emitir radiações que têm uma fração apreciável com freqüência de luz: o espectro visível.

Ainda assim, a maior parte da intensidade da radiação tem freqüência localizada na região do infravermelho.

Se pudéssemos aquecer indefinidamente o corpo, ele passaria do rubro para o branco e para o azul. Isto indica que a predominância da intensidade de radiação emitida dentro do espectro visível corresponde a freqüências crescentes, à medida que a temperatura do corpo é elevada. 3.2.9.1. PirômetrosPrincípio de funcionamento

A energia calorífica irradiada por um corpo é expressa tomando-se como referência um corpo irradiante ideal denominado corpo negro. Este corpo ideal absorve toda a energia que incide e irradia mais energia calorífica do que qualquer outro objeto com a mesma área e temperatura. Outro conceito importante no estudo da emissão calorífica é o comprimento de onda da radiação. Esta grandeza determina a cor de um feixe luminoso visível. A unidade adotada para o comprimento de onda é o micrometro (µm) que representa a milionésima parte do metro.

A figura 3.35 mostra todo o espectro de radiações conhecidas em função das freqüências e comprimentos de onda. Observe que o espectro de luz visível representa somente uma pequena faixa do total (comprimento de onda de 0,38µm a 0,78µm).

Figura 3.35 – Espectro de radiações

3.2.9.2. Pirômetros Ópticos

O pirômetro óptico é o dispositivo oficial reconhecido internacionalmente para medir temperaturas acima de 1064,43°C. É usado para estabelecer a Escala Internacional Prática de Temperatura acima de 1064,43°C.

O pirômetro óptico mede a intensidade de energia radiante emitida numa faixa

estreita do comprimento de onda do espectro visível. A intensidade da luz no espectro visível emitida por um objeto quente varia rapidamente com sua temperatura. Assim, com

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uma pequena variação da temperatura, há uma variação muito maior na luminosidade, o que fornece um meio natural para a determinação de temperaturas com boa precisão.

O pirômetro óptico é um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto é medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão. Os pirômetros utilizam dois métodos para comparação:

• Variando a intensidade da luz emitida por uma lâmpada padrão (corrente que passa

através do filamento) até atingir o mesmo brilho da fonte. • Variando a luminosidade aparente do corpo quente através de dispositivos ópticos

enquanto uma corrente constante atravessa o filamento da lâmpada padrão que permanece com brilho constante.

A comparação do brilho entre a fonte a ser medida e o filamento da lâmpada é feita

por um observador, o que faz com que essa medida dependa, portanto, da sensibilidade do olho humano às diferenças no brilho entre duas fontes da mesma cor.

Figura 3.36 – Esquemático do pirômetro óptico

Ao considerar-se uma aplicação, deve-se levar em conta os seguintes dados: • Os limites normais de utilização estão entre 750°C e 2850°C. Com filtros de absorção

especiais, pode-se estender sua calibração até 5500°C. • As medidas efetuadas com pirômetros ópticos são independentes da distância entre a

fonte e o aparelho, além de que são providos de um conjunto de lentes que aproxima o objetivo a ser medido.

• Em uso industrial consegue-se uma precisão de até ± 2%. • Visto que a medida de temperatura é baseada na emissividade da luz (brilho), erros

significativos podem ser criados, devido à reflexão de luz ambiente pela fonte a ser medida.

• Quando o meio onde se executa a medida possui partículas em suspensão, causando assim uma diminuição da intensidade da luz proveniente da fonte, diminui a precisão da medição.

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3.2.9.3. Pirômetros de Radiação

São instrumentos que operam essencialmente segundo a lei de Stefan-Boltzmann. São os sistemas mais simples; neles a radiação é coletada por um arranjo óptico fixo e dirigida a um detector do tipo termopilha (associação em série de termopares vista na figura 3.37) ou do tipo semicondutor (nos mais modernos), onde gera um sinal elétrico, no caso da termopilha, ou altera o sinal elétrico, no caso do semicondutor.

Figura 3.37 – Esquema de uma termopilha

Como não possuem mecanismo de varredura próprio, o deslocamento do campo de

visão instantâneo é realizado pela movimentação do instrumento como um todo. Os pirômetros de radiação são, em geral, portáteis, mas podem ser empregados também no controle de processos, a partir de montagens mecânicas fixas ou móveis.

Graças à utilização de microprocessadores, os resultados das medições podem ser memorizados para o cálculo de temperaturas e seleção de valores.

A figura 3.38 ilustra, esquematicamente, um pirômetro de radiação. O espelho côncavo B é de vidro recoberto com alumínio. O espelho D é similar ao B, mas com uma distância focal muito menor. As radiações emitidas pelo corpo entram no pirômetro através do vidro plano A. O espelho B forma uma imagem reduzida, porém definida, do corpo sobre o diafragma J. As radiações de uma área definida do corpo passam através da abertura C em sentido contrário às radiações incidentes e atingem o espelho D. O espelho D focaliza as radiações sobre a termopilha E que está localizada exatamente na distância focal de D. A imagem do corpo é focalizada observando-se a imagem formada no diafragma J através da lente H.

55

Figura 3.38 – Desenho esquemático de um pirômetro de radiação A apresentação dos resultados é normalmente feita através de mostradores analógicos

e digitais, podendo ainda ser impressa em papel ou gravada em fita magnética para posterior análise. Alguns pirômetros de radiação são diretamente conectados com unidades de controle ou registradores através de interface analógica/digital.

Os pirômetros de radiação são usados industrialmente onde:

• As temperaturas estão acima da faixa de operação prática dos termopares; • A atmosfera do processo for prejudicial aos pares termoelétricos, causando medidas

falsas e pequena durabilidade ao par; • No interior de fornalhas a vácuo ou pressão, onde os sensores de temperatura danificam

o produto; • objeto cuja temperatura se vai medir está em movimento; • Em locais onde os termopares não podem ser instalados, por causa de vibrações, choques

mecânicos ou impossibilidade de montagem.

Ao considerar-se uma aplicação, deve-se levar em conta os seguintes dados: • A temperatura do alvo e a temperatura normal de operação; • Sinal de saída é independente da distância do alvo, desde que o campo de visão do

sistema óptico esteja preenchido totalmente pelo mesmo; • Material da fonte e sua emitância; • Ângulos de visada com aplicações em corpo não negro (deve-se restringir o ângulo para

uma visada de 45°, ou menos, da perpendicular); • As condições do ambiente, temperatura e poeira; • Velocidade do alvo.

Os pirômetros de radiação operam numa faixa entre -30°C a 4000°C, respondendo em 0,1 ou 0,2 segundos a 98% da mudança de temperatura com precisão de ± 1% da faixa medida.

56

3.2.10. Medição de Temperatura Superficial

A medição de temperatura superficial é muito utilizada em usinas termoelétricas a fim de proteger equipamentos como o tambor, coletores e tubos dos superaquecedores da caldeira e a turbina.

A instalação do sensor (geralmente termopar) requer cuidados especiais para não alterar a distribuição das temperaturas na superfície metálica em análise. Caso contrário a temperatura medida será diferente da temperatura real da superfície.

Os principais fatores que afetam a precisão da medida são: • Transferência de calor entre o transmissor e a superfície devido a condutividade térmica

do sensor; • Transferência de calor para o meio ambiente; • Modo de instalação do sensor.

A figura 3.39 mostra três modos de instalação, para medição de temperatura superficial. O modo mais desfavorável é aquele mostrado em (a), pois existe uma grande dissipação de calor na superfície do tubo. Para reduzir a influência dessa dissipação de calor, pode-se aumentar a superfície de contato com o sensor através de uma placa metálica fina com elevado coeficiente de condutividade térmica. Essa placa deverá ser soldada a superfície (b). A quantidade de calor cedida é a mesma do modo anterior, mas o calor transferido por cada ponto da superfície de contato diminui devido a maior área. Em (c) está representada a melhor situação pois o calor transfere-se para uma extensão maior do sensor, diminuindo a perda de calor na junção do termopar.

Recomenda-se que o comprimento do sensor em contato com a superfície seja de 150 a 200 vezes o seu diâmetro.

Figura 3.39 – Modos de instalação de transmissores de temperatura superficial

57

4. VAZÃO

4.1. MEDIÇÃO DE VAZÃO

A medição de vazão é definida, no seu sentido mais amplo, como a determinação da quantidade de líquido, gás ou sólido que passa em um determinado local por unidade de tempo. Pode também ser definida como a quantidade total de fluido movimentado.

A quantidade total movimentada pode ser medida em unidades de volume (litros, mm3, cm3, m3, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A vazão instantânea é dada por uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo (litros/min, m3/hora, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser expressa em kg/h ou em m3/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser especificadas as "condições-base" consideradas. Assim, no caso de líquidos, é importante indicar que a vazão se considera "nas condições de operação", ou a 0°C, 20°C, ou a outra temperatura qualquer. Na medição de gases, é comum indicar a vazão em Nm3/h (normais metros cúbicos por hora, ou seja, à temperatura de 0°C e à pressão atmosférica) ou em SCFM (pés cúbicos standard por minuto - temperatura 60°F e 14,696 psia de pressão atmosférica).

Vale dizer que:

1 m3 = 1000 litros 1 galão (americano) = 3,785 litros 1 pé cúbico = 0,0283168 m3 1 libra = 0,4536 kg 4.2. TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO

Existem dois tipos de medidores de vazão: os medidores de quantidade e os medidores volumétricos.

4.2.1. Medidores de Quantidade

São aqueles que, a qualquer instante, permitem saber que quantidade de fluxo passou, mas não a vazão do fluxo que está passando. Exemplo: bombas de gasolina, hidrômetros, balanças industriais, etc.

Os medidores de quantidade podem ser classificados em: medidores de quantidade

por pesagem e medidores de quantidade volumétrica. Os medidores de quantidade por pesagem são utilizados para medição de sólidos,

como as balanças industriais. Os de quantidade volumétrica são aqueles que o fluido, passando em quantidades

sucessivas pelo mecanismo de medição faz com que o mesmo acione o mecanismo de indicação. Estes medidores são utilizados como os elementos primários das bombas de gasolina e dos hidrômetros. Exemplos: disco mutante, tipo pistão, tipo pás giratórias, tipo nódulos rotativo, etc, ilustrados pela figura 4.1.

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Figura 4.1 – Tipos de medidores de quantidade

4.2.2. Medidores Volumétricos

São aqueles que exprimem a vazão por unidade de tempo. 4.2.2.1. Medição de Vazão por Pressão Diferencial

A pressão diferencial é produzida por vários tipos de elementos primários colocados na tubulação de forma tal que o fluido passe através deles. A sua função é aumentar a velocidade do fluido diminuindo a área da seção em um pequeno comprimento para haver uma queda de pressão. A vazão pode, então, ser medida a partir desta queda (Figura 4.2).

Figura 4.2 – Medição de vazão por pressão diferencial

59

Uma vantagem primordial dos medidores de vazão por ∆P é que os mesmos podem ser aplicados a uma grande variedade de medições, envolvendo a maioria dos gases e líquidos, inclusive fluidos com sólidos em suspensão, bem como fluidos viscosos, em uma faixa de temperatura e pressão bastante ampla. Um inconveniente deste tipo de medidor é a perda de carga que este causa ao processo, sendo a placa de orifício o dispositivo que provoca a maior perda de carga "irrecuperável" (de 40 a 80% do ∆P gerado). 4.2.2.2. Conceitos Básicos Regimes de escoamento de fluidos em tubulações

O escoamento de um fluido numa tubulação pode ser caracterizado por um dos seguintes regimes: o laminar e o turbulento.

A corrente laminar se caracteriza por um escoamento em camadas planas ou concêntricas, dependendo da forma do canal ou do tubo, sem passagem das partículas do fluido de uma camada para outra e sem variação de velocidade, para determinada vazão.

A corrente turbulenta, ao contrário, é caracterizada por uma mistura intensa do líquido e oscilações de velocidades e pressões. O movimento das partículas é desordenado e suas trajetórias têm geralmente formas complicadas. • Número de Reynolds

É o coeficiente que determina a não laminaridade do escoamento do fluído. Tal coeficiente é expresso pela relação:

Onde: V = velocidade do fluído D = diâmetro da tubulação υ= coeficiente de viscosidade cinética • Distribuição de velocidades Nas medições de vazões na indústria, o regime de escoamento é turbulento na maioria dos casos. O regime turbulento é caracterizado por um perfil de velocidades mais uniforme que e perfil correspondente ao regime laminar. • Viscosidade

A viscosidade é uma das mais importantes características dos fluidos, já que interfere diretamente no regime de escoamento do mesmo.

Equação da continuidade

Supondo um fluxo em regime permanente em uma tubulação, não haverá acumulação de massa no volume compreendido entre as seções 1 e 2 (Figura 4.3 a seguir), pois, neste caso, pelo menos a massa específica variaria, deixando de ser regime permanente.

Principio de Bernoulli

Supondo um fluido perfeito (ideal), que não possui viscosidade, seu deslocamento ocorre sem atrito e, portanto, sem perdas de energia, no entanto, a diferença de pressão

60

entre seções irá depender do peso específico e da diferença de altura entre seções (inclinação da tubulação).

Figura 4.3 – Princípio de Bernoulli

O enunciado de Bernoulli é o seguinte: “A pressão total de um fluído incompressível em regime permanente de escoamento sem perdas, mantém-se constante ao longo da tubulação”.

A representação matemática do teorema é dada a seguir:

Aplicando-se o teorema de Bernoulli às seções 1 e 2 da figura 4.3 e considerando a

tubulação horizontal tem-se:

Z1 = Z2 P1, P2 = pressões estáticas medida medidas nas seções 1 e 2, em Pa. δ = peso específico do fluído no trecho considerado, em N/m3. g = aceleração da gravidade, em m/S2. ϑ1, ϑ2 = velocidades médias do fluído nas seções 1 e 2, em m/s.

61

4.2.2.3 Instalação e Método de Medição de Vazão por p

Na indústria, o método mais utilizado para medir vazão pelo princípio da pressão diferencial variável é através da placa de orifício. Uma instalação típica de medição por placa de orifício pode ser observada na figura 4.4.

Figura 4.4 – Método de medição de vazão por ∆p para gases

Podemos representar esquematicamente esta malha de medição através do fluxograma mostrado pela figura 4.5:

Figura 4.5 – Fluxograma de uma malha de medição de vazão

Partindo-se da Equação Geral de Bernoulli, conclui-se que a vazão só irá variar em

função de , pois todos os outros parâmetros são constantes. Desta forma, podemos simplificar a expressão da vazão por:

62

Onde Q = Vazão k = Constante que depende de fatores como: - Relação entre orifício e tubulação - Características do fluido ∆P = Diferença entre as pressões a montante a jusante da placa de orifício.

É importante observar que o ∆P varia quadraticamente em função da vazão Q, conforme ilustrado pela figura 4.6 e a tabela 4.1.

Figura 4.6 – Diferença quadrática entre ∆P e a vazão

Vazão P

0,0 0,0

50,0 25,0

70,7 50,0

86,6 75,0

100,0 100,0

Tabela 4.1 – Comparação de valores entre ∆P e a vazão

63

Supondo o fluxograma mostrado na Figura 4.7, sabe-se que esta malha possui como características: Vazão máxima de 10 m3/h e o ∆P produzido com esta vazão é de 2500 mmH20. Como saber o sinal de saída do transmissor (FT) calibrado de 3 a 15 psi, quando a vazão for 8 m3/h ?

Figura 4.7 – Fluxograma de uma malha de vazão sem extração de raiz quadrada Determinação do k:

Para vazão máxima:

Portanto:

Então:

64

Outro método de trabalho baseia-se no cálculo em porcentagem adotando-se k = 10.

Então: 8 m3/h equivale a 80% da vazão. Portanto:

O sinal de saída de um transmissor de vazão por pressão diferencial variável altera-se

linearmente em função do ∆P e quadraticamente em função da vazão. Portanto, quando é acoplado um indicador para fazer a leitura de vazão vinda do transmissor, sua escala deve ser quadrática para termos leitura direta. Para linearizar o sinal de saída do transmissor em função de vazão, faz-se necessário o uso de um extrator de raiz quadrada, conforme mostrado no fluxograma da figura 4.8.

Figura 4.8 – Fluxograma de uma malha de vazão com extrator de raiz quadrada

A pressão de entrada no extrator (EFY) é linearmente proporcional ao ∆P e a pressão

de saída do extrator (SFY), é linearmente proporcional à vazão Q. A tabela 4.2 mostra esta relação.

Q (%) SFY (psi) EFY (psi) P (%)

0 3 3 0

50 9 6 25

..... ..... ..... .....

100 15 15 100

Tabela 4.2 – Relação da vazão x ∆P com o extrator de raiz quadrada

65

Portanto:

Supondo que na entrada do extrator a pressão seja 10,68 psi, qual a pressão em sua saída?

4.2.2.4. Placa de Orifício

Dos muitos dispositivos inseridos numa tubulação para se criar uma pressão diferencial, o mais simples e mais comum é a placa de orifício. Consiste em uma placa precisamente perfurada, a qual é instalada perpendicularmente ao eixo da tubulação. A figura 4.9, ilustra, com um detalhe em corte, uma placa de orifício montada entre os flanges.

Figura 4.9 – Placa de orifício montada entre flanges

66

É essencial que as bordas do orifício estejam sempre perfeitas, porque se ficarem imprecisas ou corroídas pelo fluido, a precisão da medição será comprometida. Costumeiramente, é fabricada em aço inox, monel, latão, etc., dependendo do fluido. VANTAGENS DESVANTAGENS Instalação fácil Alta perda de carga Econômica Baixa Rangeabilidade Construção simples Manutenção e troca simples 4.2.2.4.1. Tipos de Orifícios

Pode-se observar na figura 4.10, alguns tipos de placas de orifício.

Figura 4.10 – Tipos de orifícios

Orifício concêntrico

Este tipo de placa é utilizado para líquidos, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão.

Orifício excêntrico

Utilizado quando o fluido possue sólidos em suspensão, os quais possam ser retidos e acumulados na base da placa, sendo o orifício posicionado na parte de baixo do tubo. • Orifício segmental

Esta placa tem a abertura para passagem de fluido, disposta em forma de segmento de círculo. É destinada para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de sólidos em suspensão 4.2.2.4.2. Tipos de BordoBordo quadrado (aresta viva)

Usado em tubulações normalmente maiores que 6" e não usado em fluxo com baixo Número de Reynolds (Re). Este tipo de orifício é ilustrado pela figura 4.11a. a b

67

Figura 4.11 – Orifício bordo quadrado e arredondado • Bordo arredondado (quadrante Edge ou quarto de círculo)

Usado em fluidos altamente viscosos, onde o "Re" inferior está em torno de 250 (figura 4.11b). • Bordo com entrada cônica

Usado em aplicações, onde o "Re" inferior é 25 e em condições severas de viscosidade (figura 4.12).

Figura 4.11 – Orifício bordo com entrada cônica

68

4.2.2.4.3. Tipos de Tomada de Impulso

A tabela 4.3 mostra a relação entre tomadas de impulso para medição de vazão com placas de orifício.

Nome em

inglês

Sugestão em

Português

Distância da Tomada face

montante (K1)

Distância da Tomada face

Jusante (K2)

Flange Taps

Tomadas

em flanges

1”

1”

Radius Taps

Tomadas a D e D

2

1D

D 2

Vena Contracta

Taps

Tomadas de vena

contracta

D a 2D

2

Depende

de β

Córner Taps

Tomadas de

canto

Junto

Junto

Pipe Taps

Tomadas a 2 1 D e 8D

2

2 1 D 2

8D

Tabela 4.3 - Relação entre tomadas de impulso para medição de vazão. • Tomadas em flange: são as mais populares, onde os furos das tomadas já são feitos no

próprio flange. • Tomadas na vena contracta: utiliza flanges comuns, sendo o centro da tomada de alta

pressão entre D/2 e 2D (em geral 1D) e o centro da tomada de baixa estará no ponto de pressão mínima conforme gráfico da figura 4.12, dependendo do β.

69

Figura 4.12 – Diferentes betas (β)

Tomadas na vena contracta (D e D/2): usadas em tubulações de 2" a 30" com Ne entre

8000 e 400000 para β entre 0,15 e 0,75. • Tomadas de canto: são construídas no próprio flange e seu uso principal é em tubulações

menores que 2", tendo como desvantagem a grande possibilidade de entupimento. • Tomadas de tubulação: possuem o menor diferencial de pressão entre todas tomadas e

perdem muita precisão devido à rugosidade do tubo. 4.2.2.5. Tubo Venturi

O tubo Venturi combina dentro de uma unidade simples, uma curta garganta estreitada entre duas seções cônicas e está usualmente instalado entre dois flanges numa tubulação.

Figura 4.13 – Tubo de Venturi

70

O propósito do tubo de Venturi é acelerar o fluido e temporariamente baixar sua pressão estática. A recuperação de pressão é bastante eficiente, como pode ser visto na Figura 4.13, sendo seu uso recomendado quando se deseja um maior restabelecimento de pressão e quando o fluido medido carrega sólidos em suspensão. O Venturi produz um diferencial menor que uma placa de orifício para uma mesma vazão e diâmetro igual à sua garganta.

Em geral, utilizam-se quatro furos espaçados de 90° em torno do tubo para fazer a tomada de pressão. Eles são interligados por meio de um anel, chamado anel piezométrico, que é destinado a obter a média das pressões em torno do ponto de medição. Na figura 4.14 podem ser vistos detalhes de construção de um tubo de Venturi.

Figura 4.14 – Detalhes de construção de um dispositivo Venturi Onde: D = Diâmetro interno da tubulação d = diâmetro da garganta a = Localização da tomada de impulso de alta pressão. 0,25D a 0,75D para 4" < D < 6" 0,25D a 0,50D para 6" < D < 32" b = Localização da tomada de baixa pressão = "d"/2 c = comprimento da garganta igual a "d" δ = Diâmetro interno da tomada de impulso 3/16 a 1/2" r1 = 0 a 1,375D r2 = 3,5 a 3,75D α1=21°f2° α2 = 5° a 15°

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4.2.2.6. Bocal

O bocal de vazão (Flow nozzle) é, em muitos aspectos, um meio termo entre a placa de orificio e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluido é abrasivo e corrosivo. O perfil de entrada é projetado de forma a guiar a veia fluida até atingir a seção mais estrangulada do elemento de medição, seguindo uma curva elíptica (projeto ASME) ou pseudoelíptica (projeto ISA). Seu principal uso é em medição de vapor com alta velocidade, recomendado para tubulações com diâmetro maior que 50 mm.

Figura 4.15 – Bocal de vazão

As tomadas de pressão são, normalmente, localizadas a 1D (à montante) e 1/2D (à

jusante) da face anterior ao bocal, como ilustrada na figura 4.15. A perda permanente de pressão do bocal é levemente inferior a da placa de orifício. A precisão depende de suas dimensões físicas, características de construção e da

instalação completa. Considerando somente o bocal, a precisão pode variar na faixa de 0,5% a 1,5%, dependendo do diâmetro (a precisão diminui com a diminuição do diâmetro).

72

4.2.2.7. Tubo Pitot

É um dispositivo para medição de vazão através da velocidade detectada em um ponto da tubulação. O tubo de Pitot é um tubo com duas aberturas em sua extremidade, isoladas entre si, sendo que uma está colocada na direção da corrente fluida de um duto e a outra normalmente em oposição (90° ou 180°). A diferença da pressão total e a pressão estática da linha nos dá a pressão dinâmica (figura 4.16), a qual é proporcional ao quadrado da velocidade.

Figura 4.16 – Tubo de Pitot

Onde: Pd = pressão total - pressão estática γ = peso específico do fluido V = velocidade do fluido no ponto de medição g = aceleração da gravidade

Ao se determinar a velocidade de um fluido em um duto, sabe-se que, ao centro deste, a velocidade é máxima e, para saber a velocidade média, é necessário usar um fator "k", o qual é determinado em função do N° de Reynolds e rugosidade da tubulação. Então:

73

Na prática o fator "k" é descoberto, mantendo-se a vazão constante e medindo-se a velocidade em 10 pontos e, em seguida, calcula-se a média das 10 velocidades e divide-se pela velocidade máxima.

4.2.2.8. Medidor Tipo Annubar

O Annubar é um dispositivo de produção de pressão diferencial que ocupa todo o diâmetro do tubo (figura 4.17) e é projetado para medir a vazão total, de forma diferente dos dispositivos tradicionais de pressão diferencial.

Figura 4.17 – Medidor tipo Annubar

A parte de alta pressão do sinal de ∆P é produzida pelo impacto do fluido nos furos

do sensor (figura 4.18). O fluido, então, separa-se em torno do sensor Annubar, e uma zona de baixa pressão (abaixo da pressão estática no tubo) é criada devido ao formato do sensor. O lado de baixa pressão do sinal de ∆P é sentido pelos furos à jusante do Annubar e é medido na câmara da jusante.

74

Figura 4.18 – Câmaras de pressão do medidor tipo Annubar

A diferença de pressão é proporcional à raiz quadrada da vazão, assim como os medidores anteriores. 4.2.2.9. Compensação da Pressão e da Temperatura

Quando se medem gases e vapores, a densidade do fluido variará dependendo da pressão e da temperatura. Por isso, é preciso efetuar a correção com compensação para essa variação.

A equação para efetuar a correção se escreve na seguinte forma:

Onde: Q = vazão k = constante PA = pressão absoluta, bar TA = temperatura absoluta, Kelvin ∆P = pressão diferencial, bar

A Figura 81 mostra um exemplo de malha para este tipo de aplicação.

75

Figura 4.19 – Malha de vazão com compensação de temperatura e pressão

4.2.3. Medidores de Vazão por P Constante (área variável)

Os dispositivos de pressão diferencial até agora considerados têm por base restrições de dimensão fixa, e a pressão diferencial criada através deles modifica-se com a vazão. Existem, contudo, dispositivos nos quais a área da restrição pode ser modificada para manter constante o diferencial de pressão enquanto muda a vazão. Um exemplo deste tipo de medidor é o rotâmetro.

4.2.3.1. Rotâmetros

Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Basicamente, um rotâmetro consiste de duas partes: • Um tubo de vidro de formato cônico, o qual é colocado verticalmente na tubulação em

que passará o fluido cuja vazão queremos medir. A extremidade maior do tubo cônico ficará voltada para cima.

• No interior do tubo cônico, teremos um flutuador que se moverá verticalmente em função da vazão medida.

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A figura 4.20 mostra detalhes de um rotâmetro típico.

Figura 4.20 - Rotâmetro

4.2.3.2. Princípio de Funcionamento

O fluido passa através do tubo, da base para o topo. Quando não há vazão, o flutuador permanece na base do tubo e seu diâmetro maior é usualmente selecionado de tal maneira que bloqueie a pequena extremidade do tubo, quase que completamente. Quando a vazão começa e o fluido atinge o flutuador, o empuxo torna o flutuador mais leve, porém, como o flutuador tem uma densidade maior que a do fluido, o empuxo não é suficiente para levantar o flutuador.

A área de passagem oferece resistência à vazão e a queda de pressão do fluido

começa a aumentar. Quando a pressão diferencial, somada ao efeito de empuxo do líquido, excede a pressão devido ao peso do flutuador, o flutuador sobe e flutua na corrente fluida.

Com o movimento ascendente do flutuador em direção à parte mais larga do tubo, a área anular, entre a parede do tubo de vidro e a periferia do flutuador, aumenta. Como a área aumenta, o diferencial de pressão, devido ao flutuador, decresce. O flutuador ficará em equilíbrio dinâmico quando a pressão diferencial, através do flutuador somada ao efeito do empuxo, contrabalançar o peso do flutuador.

Qualquer aumento na vazão movimenta o flutuador para a parte superior do tubo de vidro e a diminuição causa uma queda a um nível mais baixo. Cada posição do flutuador corresponde a um valor determinado de vazão e somente um. É necessário colocar uma escala calibrada na parte externa do tubo, e a vazão poderá ser determinada pela observação direta da posição do flutuador.

Mantendo-se a temperatura e viscosidade constantes, conclui-se que a vazão varia linearmente com a área de passagem e, assim, teremos uma escala de leitura também linear.

4.2.3.3. Tipos de Flutuadores

Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na Figura 4.21, podem ser vistos os tipos mais utilizados:

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Esférico (1) - Para baixas vazões e muita incerteza; sofre uma influência considerável da

viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Plano (2) - Para vazões médias e elevadas; Sofre uma influência

média da viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Saliente de Face Inclinada para o Fluxo (3) - Sofre menor

influência da viscosidade do fluido. • Cilindro com Bordo Saliente contra o Fluxo (4) - Sofre a mínima influência da

viscosidade do fluido.

Figura 4.21 – Tipos de flutuadores 4.2.3.4. Material do Flutuador O material mais empregado nos flutuadores é o aço inox 316. Na indústria, no entanto, para satisfazer outras exigências como resistência à corrosão, abrasão e outras, utilizam-se outros tipos de materiais. A tabela 4.4 a seguir apresenta diversos materiais empregados em flutuadores.

MATERIAIS

Inox 316 Alumínio Bronze

Durimet Hastelloy B Hastelloy C

Monel Níquel Tântalo

Teflon Inox 303 Titânio

Tabela 4.4 – Materiais mais empregados nos flutuadores Obs: Os rotâmetros são montados verticalmente na tubulação do fluido cuja vazão se quer

medir, de maneira que o fluido seja dirigido de baixo para cima. 4.2.4. Medidores Especiais de Vazão

Os principais medidores especiais de vazão são: medidores magnéticos de vazão com eletrodos, tipo turbina, tipo Coriolis, Vortex e Ultra-sônico.

4.2.4.1. Medidor Eletromagnético de Vazão

O medidor magnético de vazão é seguramente um dos medidores mais flexíveis e universais dentre os métodos de medição de vazão. Sua perda de carga é

78

equivalente a de um trecho reto de tubulação, já que não possui qualquer obstrução. É virtualmente insensível à densidade e à viscosidade do fluido de medição.

Medidores magnéticos são, portanto, ideais para medição de produtos químicos

altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição, em princípio, é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem, ainda, como limitação, o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição.

4.2.4.1.1. Aplicação

O medidor eletromagnético é um elemento primário de vazão volumétrica, independente da densidade e das propriedades do fluido. Este medidor não possui obstrução, portanto, apresenta uma perda de carga equivalente a um trecho reto de tubulação. Para medição de líquidos limpos com baixa viscosidade, o medidor eletromagnético é uma opção. Se o líquido de medição tiver partículas sólidas e abrasivas, como polpa de mineração ou papel, ele é praticamente a única alternativa.

Já que o mesmo possui como partes úmidas apenas os eletrodos e o revestimento, é

possível, através de uma seleção cuidadosa destes elementos, medir fluidos altamente corrosivos como ácidos e bases. É possível, por exemplo, a medição de ácido fluorídrico selecionando-se eletrodos de platina e revestimento de teflon. Outro fluido, particularmente adequado para medição por essa técnica, é o da indústria alimentícia. Como o sistema de vedação dos eletrodos não possui reentrâncias, as aprovações para uso sanitário são facilmente obtidas.

4.2.4.1.2. Princípio de Funcionamento

O princípio de funcionamento dos medidores magnéticos baseia-se na lei de indução eletromagnética (lei de Faraday). A lei enuncia que a força eletromotriz (fem) induzida em um condutor de comprimento L, movimentando-se em um campo magnético H ortogonal à direção do movimento, é proporcional à velocidade V do condutor.

Matematicamente, a lei pode ser representada pela seguinte fórmula:

k = constante de proporcionalidade que depende das unidades utilizadas.

Como visto, o medidor eletromagnético de vazão é uma relação entre a direção do campo magnético, movimento do fluido e f.e.m. induzida. No caso do medidor eletromagnético, o corpo móvel é o fluido que flui através do tubo detector. Desta forma, a direção do campo magnético, a vazão, e a f.e.m. estão posicionadas uma em relação à outra em um ângulo de 90 graus. A figura 4.22 ilustra, esquematicamente, o funcionamento do medidor.

79

Figura 4.22 – Medidor eletromagnético de vazão

A figura 4.23 mostra detalhes de construção de um medidor magnético de vazão.

Figura 4.23 – Detalhes construtivos do medidor magnético de vazão

4.2.4.1.3. Estrutura do Detector Revestimento

Para se conseguir retirar um sinal elétrico proporcional à vazão, é necessário que o interior do tubo seja isolado eletricamente. Se isto não for feito, a f.e.m. será curto- circuitada e, dessa forma, não estará presente nos eletrodos. Se o tubo fosse de material isolante, não haveria problema, mas, geralmente, o tubo é feito de material condutor. Para evitar que a f.e.m. seja curto-circuitada pela parede condutiva do tubo, utiliza-se um isolante tal como teflon, borracha de poliuretano ou cerâmica. A escolha do material isolante é feita em função do tipo de fluido. • Eletrodo

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Eletrodos são dois condutores instalados na parede do tubo para receber a tensão induzida no fluido. Existem vários materiais de fabricação, tais como: aço inox, monel, hastelloy, platina e outros que dependem do tipo de fluido a ser medido. • Tubo detector

O tubo do medidor não pode ser de material ferromagnético, tal como aço ou níquel, pois os mesmos causam distúrbios no campo eletromagnético. Na prática, o aço inox é o mais usado. • Influência da condutividade

A influência da condutividade nos medidores de vazão deve ser sempre considerada, pois ela depende de determinadas combinações entre o elemento primário e o secundário. Não há problema de influência de condutividade do fluido sobre a precisão da medição, desde que seja superior aos limites recomendados, porém, se decai do valor de projeto, ocasiona um erro considerável na indicação. 4.2.4.2. Medidor Tipo Turbina

O medidor é constituído basicamente por um rotor montado axialmente na tubulação. O rotor é provido de aletas que o fazem girar quando passa um fluido na tubulação do processo. Uma bobina captadora com um imã permanente é montada externamente fora da trajetória do fluido.

Quando este se movimenta através do tubo, o rotor gira a uma velocidade

determinada pela velocidade do fluido e pelo ângulo das lâminas do rotor. À medida que cada lâmina passa diante da bobina e do imã, ocorre uma variação da relutância do circuito magnético e no fluxo magnético total a que está submetida a bobina. Verifica-se, então, a indução de um ciclo de tensão alternada (figura 4.24).

Figura 4.24 – Medidor de vazão tipo turbina

A freqüência dos pulsos gerados desta maneira é proporcional à velocidade do fluido, e a vazão pode ser determinada pela medição/totalização de pulsos. 4.2.4.2.1. Influência da Viscosidade

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Como visto acima, a freqüência de saída do sensor é proporcional à vazão, de forma que é possível, para cada turbina, fazer o levantamento do coeficiente de vazão k, que é o parâmetro de calibração da turbina, expresso em ciclos (pulsos) por unidade de volume.

Numa turbina ideal, este valor k seria uma constante independente da viscosidade do

fluido medido. Observa-se, entretanto, que, à medida que a viscosidade aumenta, o fator k deixa de ser uma constante e passa a ser uma função da viscosidade e da freqüência de saída da turbina. Abaixo de 2 cSt (centi Stokes) de viscosidade, o coeficiente k é aproximadamente constante para freqüências de saída acima de 50 Hz . 4.2.4.3. Medidor por Efeito Coriolis

É um instrumento de sucesso no momento, pois tem grande aplicabilidade nas indústrias alimentícia, farmacêutica, química, papel, petróleo etc., e sua medição independe das variáveis de processo - densidade, viscosidade, condutibilidade, pressão, temperatura, perfil do fluido.

Resumidamente, um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de

medição e transmissor (como ilustrado pela figura 4.25). Os tubos de medição são submetidos a uma oscilação e ficam vibrando na sua própria freqüência natural à baixa amplitude, quase imperceptível a olho nu. Quando um fluido qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta, causando uma deformação, isto é, uma torção que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de ondas senoidais.

Figura 4.25 – Medidor por efeito Coriolis

As forças geradas pelos tubos criam uma certa oposição á passagem do fluido na sua

região de entrada (região da bobina 1 – figura 4.26) e, em oposição, auxiliam o fluido na região de saída dos tubos.

O atraso entre os dois lados é diretamente proporcional à vazão mássica. Um RTD (Termômetro de Resistência) é montado no tubo, monitorando a temperatura deste, a fim de compensar as vibrações das deformações elásticas sofridas com a oscilação da temperatura.

O transmissor é composto de um circuito eletrônico que gera um sinal para os tubos de vazão, alimenta e recebe o sinal de medida, propiciando saídas analógicas de 4 a 20 mA, de freqüência (0 a 10 KHz) e até digital RS 232 e/ou RS 485. Estas saídas são enviadas para instrumentos receptores que controlam bateladas, indicam vazão instantânea e totalizada ou para PLCs, SDCDs, etc.

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Figura 4.26 – Instrumentos receptores que controlam bateladas

4.2.4.4. Medidor de Vazão Tipo Vortex 4.2.4.4.1. Princípio de Funcionamento

Quando um anteparo de geometria definida é colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, ocorre a formação de vórtices, os quais se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo, como mostrado na figura 4.27. Este é um fenômeno muito conhecido e demonstrado em todos os livros de mecânica dos fluidos.

Figura 4.27 – Medidor de vazão tipo vortex

Os vórtices também podem ser observados em nosso dia a dia, como por exemplo: • Movimento oscilatório da plantas aquáticas, em razão da correnteza; • As bandeiras flutuando ao vento; • As oscilações das copas das árvores ou dos fios elétricos quando expostos ao vento. 4.2.4.4.2. Método de Detecção dos Vórtices

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As duas maiores questões referentes ao desenvolvimento prático de um medidor de vazão, baseado no princípio vortex, são: • A criação de um obstáculo gerador de vótices (vortex shedder) que possa gerar vórtices

regulares e de parâmetros totalmente estabilizados (Isto determinará a precisão do medidor).

• O projeto de um sensor e respectivo sistema eletrônico para detectar e medir a freqüência dos vórtices (Isto determinará os limites para as condições de operação do medidor).

• Vortex shedder – numerosos tipos de vortex shedder, com diferentes formas, foram sistematicamente testados e comparados em diversos fabricantes e centros de pesquisa (Um shedder com formato trapezoidal foi o que obteve um desempenho considerado ótimo).

4.2.4.5. Medidores Ultra-Sônicos

Os medidores de vazão que usam a velocidade do som como meio auxiliar de medição podem ser divididos em dois tipos principais:

Medidores a efeito Doppler

O efeito Doppler é a aparente variação de freqüência produzida pelo movimento relativo de um emissor e de um receptor de freqüência. No caso, esta variação de freqüência ocorre quando as ondas são refletidas pelas partículas móveis do fluido. Nos medidores baseados neste princípio (ver figura 4.28), os transdutores-emissores projetam um feixe contínuo de ultra-som na faixa das centenas de kHz. Os ultra-sons refletidos por partículas veiculadas pelo fluido têm sua freqüência alterada proporcionalmente à componente da velocidade das partículas na direção do feixe. Estes instrumentos são, conseqüentemente, adequados para medir vazão de fluidos que contêm partículas capazes de refletir ondas acústicas.

Figura 4.28 – Tipos de transdutores de efeito Doppler • Medidores de tempo de trânsito

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Ao contrário dos instrumentos anteriores, estes instrumentos não são adequados para medir vazão de fluidos que contém partículas. Para que a medição seja possível, os medidores de tempo de trânsito devem medir vazão de fluidos relativamente limpos. Nestes medidores (Figura 4.29), um transdutor-emissor-receptor de ultra-sons é fixado à parede externa do tubo, ao longo de duas geratrizes diametralmente opostas. O eixo que reúne os emissores-receptores formam com o eixo da tubulação um ângulo α.

Os transdutores transmitem e recebem alternadamente um trem de ondas ultra-

sônicas de duração pequena, ou seja, os pulsos saem de ambos os transdutores ao mesmo tempo, mas podem chegar com um tempo diferente caso haja vazão.

Figura 4.29 – Medidores de tempo de trânsito

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5. NÍVEL

5.1. INTRODUÇÃO

Nível é a altura do conteúdo de um reservatório que pode ser sólido ou líquido. Trata-

se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois através de sua medição torna-se possível: • Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento. • Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos

de acumulação temporária, reações, mistura, etc. • Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar

determinados limites. 5.2. MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL

A medição de nível de um material em um reservatório pode ser feita de três modos:

• Direto • Indireto • Descontínuo 5.2.1. Medição de Nível Direta

É a medição que tomamos como referência à posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

5.2.1.1. Régua ou Gabarito

Consiste em uma régua graduada (Figura 5.1), a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido.

Figura 5.1 – medição de nível por réguas graduadas

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A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido. 5.2.1.2. Visores de Nível

Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um

visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. O princípio dos vasos comunicantes exige que as densidades dos fluídos no interior

do reservatório e no visor sejam iguais. Esta medição pode ser feita em tanques abertos e tanques fechados. A figura 5.2 mostra detalhes de visores de nível.

Figura 5.2 – Visor de nível

Em caldeiras se utilizam visores mais robustos capazes de suportar condições de

pressão e temperatura elevadas. O princípio de funcionamento dos visores de caldeira é o equilíbrio dinâmico das colunas liquidas no interior do tambor e no visor. Existe uma circulação de condensado do visor para o tambor e de vapor do tambor para o visor. Como a temperatura média no interior do visor é inferior à temperatura do tambor (devido as perdas de calor presentes) o nível do visor geral mente é menor que o real. Por exemplo, uma caldeira operando a 110 bar (318°C) apresenta um erro de 50mm quando a temperatura de água no visor é de 150°C. o nível real estará acima do indicado no visor, pois a densidade da água aumenta com a diminuição da temperatura.

A minimização do erro pode ser obtida instalando-se o visor o mais próximo possível do tambor, isolando termicamente as conexões, tubulações e válvulas do lado condensado.

Figura 5.3 – Visor de nível em tanque fechado

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Os visores de caldeira compõem-se de várias seções, cada uma contendo como elemento visível em vidro temperado com formato cilíndrico.

A figura 5.3 ilustra um visor de nível em tanque fechado. 5.2.1.3. Bóia ou Flutuador com Escala

Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um

contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos (Figura 5.4).

Figura 5.4 – Medidor de nível tipo bóia

5.2.1.4. Tipo Bóia com Medição Pontual

A detecção pode ser pontual ou continua. A figura 5.5 mostra uma chave de nível utilizando uma bóia como elemento sensor e acoplamento magnético para acionar a ampola de mercúrio. O sinal elétrico resultante pode ser usado como alarme ou acionamento de motores ou outro dispositivo qualquer. Observe que esse sistema detecta somente um determinado valor de nível do liquido no interior do reservatório.

Figura 5.5 – Medidor de nível pontual com bóia

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5.2.1.5. Tipo Bóia com Medição Contínua

A bóia pode ser usada para medir continuamente o nível do líquido. A figura 5.6 mostra um medidor contínuo de nível. A bóia está acoplada a um imã permanente que, através do acoplamento magnético, aciona o ponteiro do indicador de nível.

Figura 5.6 – Medidor de nível contínuo com bóia

A bóia e a haste devem ser dimensionadas para suportar as condições e características do líquido. 5.2.1.6. Sensores de Nível por Condutividade Elétrica

Os sensores de nível por condutividade elétrica são instrumentos simples e baratos adequados às aplicações de detecção de nível de colunas de água. Contudo, geralmente não são recomendados em aplicações em processos químicos devido à possibilidade de faiscamento. A figura 5.7 ilustra uma configuração para detecção de níveis alto e baixo em um tanque. O eletrodo da esquerda (nível alto) não está em contato com o liquido do tanque, portanto o circuito elétrico formado permanece aberto. O eletrodo da direita está em contato com o líquido e, portanto, uma corrente elétrica flui através do eletrodo- líquido-parede do reservatório. O circuito amplificador fecha o contato de nível baixo.

Figura 5.7 – Detector de nível por condutividade elétrica

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5.2.2. Medição de Nível Indireta

Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas. 5.2.2.1. Medição de Nível com Manômetros

A medição de nível de um tanque aberto contendo liquido poderá ser efetuada medindo-se a pressão exercida pela coluna líquida através de um manômetro de baixa pressão. A figura 5.8 mostra uma configuração típica.

Figura 5.8 – Medição de nível com manômetro

A unidade usada comumente é o metro de H20. Sendo L (metro) a altura do líquido

no reservatório e G a densidade especifica do líquido em relação a água a 20°C, a pressão exercida no manômetro será:

O valor de G é definido como a relação entre a massa específica do líquido na temperatura de serviço e a massa específica da água a 20°C. 5.2.2.2. Medição por Pressão Diferencial

Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líquido. A figura 5.9 ilustra a instalação típica para a medição de nível do tambor de uma caldeira.

Figura 5.9 – Medição de nível em tanque pressurizado

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A pressão diferencial medida é uma indicação correta do nível do líquido no interior do tanque, somente se a densidade do fluido do processo permanecer constante.

Nas caldeiras modernas de elevada capacidade com tambor, a informação do medidor de pressão diferencial é corrigida por um sinal proporcional a massa específica dos fluidos no interior do tambor. Esse fator de correção é normalmente derivado de um medidor de pressão do tambor. • Supressão de Zero

Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão.

Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso e se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real. A figura 5.10 ilustra este tipo de montagem.

Figura 5.10 – Medição de nível com supressão de zero

Elevação de Zero

Quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluído se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento.

A figura 5.11 apresenta um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação de zero, que consiste em anular-se a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.

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Figura 5.11 – Medição de nível com elevação de zero

5.2.2.3.Medição de Nível com Borbulhador

Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão.

Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor à distância.

Figura 5.11 – Medição de nível com borbulhador

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5.2.2.4.Medição de Nível por Empuxo

Baseia-se no princípio de Arquimedes: “Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado”.

A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo.

Onde:

E = empuxo V = volume deslocado δ = densidade ou peso específico do líquido

Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque.

Os medidores com deslocador, apesar de ser do tipo indireto, têm funcionamento similar ao tipo bóia. A única diferença é que o deslocador, por ser mais pesado, fica imerso no líquido. O nível somente altera a força ascendente produzida pelo empuxo, que é proporcional ao volume imerso do deslocador. Conseqüentemente, o movimento do flutuador é bem inferior ao deslocamento sofrido pela bóia, sendo necessário uma adequada amplificação.

O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

A figura 5.12 ilustra um medidor do tipo empuxo. Observa-se que a mola suporta o peso do deslocador. O nível do líquido altera somente o empuxo provocado no deslocador. O movimento do deslocador é transmitido para o exterior através de um acoplamento magnético. Um sistema bico-palheta (ou a variação de resistência de um resistor variável) permite a amplificação e transmissão pneumática (ou eletrônica) do sinal obtido.

Figura 5.12 – Medidor de nível tipo empuxo

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5.2.2.5. Medição de Nível por Radiação

Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensam sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo.

Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil: corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um câmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua (ver figura 5.13). Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida.

A seleção do tipo de material radioativo a ser usado depende de análise técnica- econômica. Como regra geral, pode-se dizer que o rádio deve ser usado quando a fonte radioativa necessária for pequena. Para fontes maiores, deve-se utilizar o césio 137 por apresentar um custo muito menor que o rádio. O cobalto 60 deve ser utilizado quando um elevado poder de penetração for requerido.

Uma outra consideração é que os materiais radioativos perdem a potência com o tempo. A conseqüência natural dessa propriedade é que as fontes radioativas devem ser recalibradas periodicamente.

Devido aos efeitos maléficos provocados pelas radiações gama no corpo humano (câncer, esterilidade, etc.), qualquer instalação de sondas radioativas para detecção de nível deverá ser precedida de um estudo para se determinar a dosagem de radiação a que ficará sujeito o pessoal trabalhando próximo a instalação.

Figura 5.13 – Medidor de nível por radiação

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5.2.2.6.Medição de Nível por Capacitância

A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras isoladas entre si.

Um capacitor consiste de dois condutores isolados por um material isolante. Os condutores são denominados placas, enquanto o material isolante é o dielétrico. Um capacitor pode armazenar cargas elétricas. Se um capacitor for conectado a uma pilha (Figura 5.14), os elétrons da placa 2 são atraídos para o pólo positivo da pilha, enquanto que os elétrons são repelidos para a placa 1 devido ao pólo negativo da pilha. O fluxo de elétrons permanece até que a voltagem entre as placas do capacitor iguale a voltagem da pilha. Quanto maior for o capacitor, maior será o fluxo de elétrons.necessário para carregá- lo. Se ao invés de uma pilha for aplicada uma fonte de corrente alternada, o fluxo de corrente através do capacitor será diretamente proporcional ao seu tamanho.

Figura 5.14 – Fluxo de corrente de um capacitor conectado a uma pilha

O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo

eletrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido.

O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores emprega-se um eletrodo normal e em fluídos condutores o eletrodo é isolado normalmente com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando o valor da capacitância aumenta progressivamente, à medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.

A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica sendo este sinal indicado em um medidor (Ver figura 5.15).

Figura 5.15 – Medidor de nível capacitivo

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A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sondas de proximidade . A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque.

O tamanho de um capacitor é determinado pela sua capacitância em farads (F). Um capacitor de 1F armazena uma carga de 1 coulomb quando submetido a uma pilha de 1 volt. A capacitância está relacionada às dimensões físicas do capacitor bem como a seu dielétrico. O dielétrico é definido pela constante dielétrica do material que o compõe:

Vácuo = 1 Água = 40 Teflon = 2 Iodo = 118 A figura 5.16 mostra uma sonda capacitiva de proximidade; a medição é feita sem

contato com o material de processo. A variação de nível altera a capacitância entre a placa sensora e a superfície do material. O instrumento pode agir como uma chave de nível ou um medidor contínuo.

Figura 5.16 – Sonda capacitiva de proximidade

Os medidores de nível capacitivos podem ser usados para sólidos ou líquidos

(condutores ou não). A aplicação em gases não é aconselhada pois suas constantes dielétricas estão por volta de 1,0.

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5.2.2.7. Medição de Nível por Ultra-Som

O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano (20 a 50Khz).

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso). Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos.

As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é a produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezoelétrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra- som.

Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados, tanto na detecção contínua de nível, como na descontínua. A figura 5.17 mostra várias alternativas de instalação de medidores descontínuos de nível por ultra-som.

Figura 5.17 – Instalação de medidores de nível descontínuos por ultra-som

Os dispositivos destinados à detecção contínua de nível caracterizam-se,

principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto. A figura 5.18 mostra os vários tipos de instalações para medição contínua de nível por ultra-som.

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Figura 5.18 - Instalação de medidores de nível contínuos por ultra-som

5.2.2.8. Medidores de Nível por Fotocélula

Este método usa uma fonte de luz e uma fotocélula. A variação de nível afeta o caminho percorrido pelos raios luminosos, alterando o sinal da fotocélula. Este sistema poderá ser usado para detecção de nível de sólidos. Contudo, apresenta o inconveniente de ser susceptível a poeira, fumaça, etc. A figura 5.19 mostra a detecção do nível de líquidos em um visor de vidro.

Figura 5.19 – Detecção de nível por fotocélula

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6. MEDIÇÃO ANALÍTICA

6.1. INTRODUÇÃO

Os instrumentos de medição analítica determinam a composição quantitativa de um determinado componente dentro de uma substância multicomponente. Serão discutidos a seguir alguns tipos de analisadores comumente utilizados em plantas industriais. 6.2. ANALISADORES DE GASES DE COMBUSTÃO

Esses analisadores são usados em grande escala para controlar processos de combustão em caldeiras. A eficiência de um processo de combustão (reação química oxidante) depende das quantidades de ar e combustível aplicadas a caldeira. Uma deficiência de ar provoca a combustão incompleta do combustível. A quantidade excessiva de ar assegura a combustão completa, mas requer um aumento no consumo de combustível para aquecer o volume complementar de ar. Em quaisquer dos casos, o rendimento término da caldeira diminui. A relação adequada de ar/combustível depende de diversos fatores sendo o tipo de combustível o mais importante. Nas caldeiras de usinas termelétricas, a supervisão contínua da combustão é efetuada através de analisadores de oxigênio nos gases da combustão. Para evitar a presença de combustão incompleta é também conveniente controlar o conteúdo de combustíveis nos gases de combustão. Para caldeiras que queimam carvão pulverizado, o combustível mais comumente encontrado é o monóxido de carbono (CO). Nos analisadores de gases de combustão, o conteúdo é normalmente determinado em porcentagem de volume. Esse tipo de determinação de conteúdo é particularmente adequada, haja vista que a proporção de cada componente no volume total se mantém constante mesmo ao variar a pressão e temperatura da mistura gasosa. 6.2.1. Analisadores Químicos

Os analisadores químicos se baseiam na medição da redução de volume da mistura gasosa após eliminação do componente a ser determinado. Por exemplo, o dióxido de carbono (C02) de uma mistura gasosa pode ser absorvido por uma solução de potassa cáustica (KOH) em água, conforme a reação a seguir: 2KOH + C02 K2C03 + H20

O resíduo de gás não absorvido passa por um dispositivo destinado a medir a redução de volume devido à absorção do C02.

Esse método é empregado nos aparelhos manuais denominados Orsat. A figura 6.1 mostra o esquema de um aparelho Orsat destinado a determinar os conteúdos de C02, 02 e CO nos gases de combustão.

A bureta 1 mede o volume inicial e os intermediários correspondentes às absorções dos componentes analisados. Os três vasos de absorção 2 contêm os reagentes adequados a absorção do C02, 02 e CO presentes na amostra dos gases: • C02: solução de potassa cáustica (KOH) em água. Para obter essa solução pode-se

dissolver 100g de KOH em 200 ml de água destilada. Cada ml desta solução pode absorver até 40ml de C02.

• 02: solução alcalina de ácido pirogálico, obtido da seguinte maneira: dissolver 40g de pirogalol C6H3(OH)3 em 60ml de água destilada. Misturar essa solução com 140ml

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de KOH a 50%. Cada ml desta solução pode absorver até 2,3ml de 02. Observa-se que essa solução também absorve C02.

• CÓ: solução alcalina de cloreto cuproso. Essa solução também absorve 02.

Figura 6.1 - Analisador tipo Orsat

O coletor 3 distribui a amostra gasosa à bureta de medição 1 e aos vasos de absorção

2 através das válvulas 7, 8 e 9. Os extremos inferiores dos vasos de absorção estão interligados com a esfera de borracha 4 a fim de evitar o contato dos reagentes com o ar atmosférico. Para aumentar a sensibilidade da medição, a parte inferior da bureta 1 (abaixo de 20%) tem um diâmetro menor. A bureta 1 é colocada dentro do cilindro de vidro 5 preenchido com água para reduzir a influência da variação da temperatura ambiente.

Dentro dos vasos de absorção 2 são instalados diversos tubos de vidro a fim de aumentar a superfície de contato entre o reagente e a amostra de gás.

O filtro 10 dotado de lã de vidro serve para remover os resíduos sólidos presentes no gás de amostra.

A seqüência de operações necessárias a determinação dos conteúdos de C02, 02 e Co com um aparelho Orsat pode ser a seguinte:

• Verificar a estanqueidade do coletor, válvulas e demais componentes do instrumento. • Purgar a linha de gás e o coletor distribuidor através da pêra de borracha 11. O gás

acumulado na bureta 1 é expulso para a atmosfera através da válvula de 3 posições 12. • Verificar os níveis dos reagentes nos vasos de absorção 2 e o nível superior de líquido na

bureta 1. • Baixar o frasco 6 lentamente para criar uma depressão na bureta 1 - Abrir a válvula de 3

posições 12 para obter a amostra de gás, através do filtro 10.

100

• Baixar o frasco 6 além da marca zero da escala. A pressão no interior da bureta 1 é equalizada com a pressão atmosférica. O nível do líquido na bureta 1 estabiliza abaixo da marca zero da escala.

• Fechar a válvula de 3 posições 12. Esperar um determinado tempo até que o gás de

amostra esfrie no interior da bureta 1. • Elevar um pouco o frasco 6 até que o nível do líquido no interior da bureta 1 estabilize

na marca zero da escala. Se for necessário, abrir momentaneamente a válvula de 3 posições 12 para expulsar o excesso de gás de amostra.

• Fechar a válvula de 3 posições 12. • Determinar o conteúdo de C02: Abrir a válvula 7 do vaso de absorção e levantar

lentamente o frasco 6 até que o nível do líquido da bureta 1 alcance a marca superior de final de escala traçada no tubo capilar.

- Baixar o frasco 6 até que o reagente do vaso de absorção alcance a marca de

controle traçada abaixo da válvula 7.

- Repetir as 2 últimas operações cerca de 4 a 5 vezes.

- Baixar o frasco 6 até que o reagente alcance a marca de controle. Fechar o válvula 7.

- Deslocar verticalmente o frasco 6 até que o nível do seu líquido iguale com o

nível do líquido no interior da bureta 1.

- Ler na escala da bureta 1 a redução de volume correspondente a absorção do reagente. Essa redução corresponde ao conteúdo de C02 na amostra gasosa original.

- Repetir as mesmas operações com relação ao vaso de absorção de oxigênio

(válvula 8). A reação de absorção do ácido pirogálico é lenta e por isso, é necessário repetir a operação de absorção no vaso de 6 a 7 vezes.

• Para determinar o conteúdo de CO as operações acima deverão ser repetidas. É

necessário salientar que o reagente absorvedor de CO se satura rapidamente e, às vezes, os resultados obtidos não são corretos.

6.2.2. Analisadores Termocondutivímetros

Os analisadores deste tipo utilizam a variação da condutividade térmica da mistura gasosa em função dos conteúdos de seus componentes. É comum a aplicação desses analisadores na determinação do grau de pureza do hidrogênio de refrigeração dos alternadores. Contudo, podem ser aplicados na determinação do conteúdo de qualquer gás cuja condutividade térmica pode se distinguir claramente da condutividade dos demais gases presentes na mistura. Na análise de condutividade térmica de uma mistura gasosa, pode-se considerar que todos os componentes, salvo aquele submetido a análise, tenham a mesma condutividade térmica.

A tabela 1 a seguir mostra os valores da condutividade térmica λ em função da temperatura, os coeficientes de condutividade térmica β e a relação λ100 de condutividades térmicas em relação ao ar para diversos gases, considerando a temperatura de 100°C.

101

λ . 104 em W. m . K-1

Temperatura em °C

Gás

0 100 200 300 400 500 600

λ100

β . 104

k-1

Ar 244 321 393 461 521 574 623 1,0 29 Nitrogênio (N2) 243 315 385 449 506 558 603 0,98 28 Hidrogênio (H2) 1721 2197 2640 3070 3477 3873 4268 6,84 27 Bióxido de Carbono (CO2) 146 228 309 391 472 549 621 0,71 48 Bióxido de Enxofre (SO2) 84 123 166 212 258 306 358 0,38 - Oxigênio (O2) 247 329 407 480 550 615 674 1,02 28 Metano (CH4) 307 465 635 823 1020 1221 1442 1,45 48 Óxido de Carbono (CO) 233 301 365 426 485 531 597 0,94 28 Vapor de Água (H2O) 170 250 333 424 546 667 818 0,78 - Argônio (Ar) 165 212 257 299 340 379 394 0.66 30 Hélio (He) 1431 1791 2128 2442 2756 3047 3326 5,56 18 Cloro (Cl2) 79 - - - - - - - -

Tabela 1 – Características de condutividade térmica de alguns gases

Conforme visto na tabela 1, a condutividade térmica de diversos gases se aproximam da condutividade térmica do ar para temperaturas elevadas. Por exemplo, a 600°C as condutividades térmicas do ar e CO2 são aproximadamente iguais (623 e 621 respectivamente). Portanto, é importante a escolha da temperatura da amostra gasosa a ser introduzida no analisador.

Os produtos da combustão, em geral, contém N2, 02, C0, CO2, CH4, H2, SO2 e vapor d'água. As condutividades térmicas do N2, CO e O2 são praticamente iguais para temperaturas próximas a 100°C. Conseqüentemente, a determinação do conteúdo de C02 através de analisadores termocondutivímetros produz resultados bastante precisos. A quantidade de metano CH4 é insignificante nos gases de combustão e não introduz problemas na medição. Contudo, a presença de hidrogênio conduz a uma redução considerável no resultado obtido devido a sua elevada condutividade térmica. Por isso, ao determinar o conteúdo de C02 nos produtos da combustão que contém hidrogênio, é necessário preliminarmente eliminá-lo queimando em um forno especial. Neste caso, o resultado do conteúdo de C02 será exagerado devido a queima do C0. O gás sulforoso (S02) deve também ser eliminado, pois influência o resultado da análise. O vapor d'água pode ser eliminado passando-se a mistura gasosa através de um refrigerador.

A figura 6.2 mostra o circuito elétrico de um analisador termocondutivimétrico destinado a determinar o conteúdo de C02 ou H2.

Figura 6.2 - Circuito elétrico de um medidor termoeondutivimétrico

102

O filamento sensível sujeito à ação da mistura gasosa é R2, geralmente fabricado com fio de platina e com uma resistência elétrica de cerca de 10Ω. Este filamento é montado dentro da câmara de medição sujeita a mistura gasosa. O outro filamento R3 denominado de comparação, é fabricado também com fio de platina e tem a mesma resistência ôhmica de R2. Não está sujeito a mistura gasosa, pois é instalado dentro de câmaras hermeticamente seladas e preenchidas com o gás de referência. Para a determinação do conteúdo de C02, o gás de referência é o próprio ar. Os filamentos R1 e R4 são fabricados com fio cuja resistência ôhmica praticamente independe da temperatura (manganina, por exemplo) e completa o outro braço do circuito. Suas resistências ôhmicas tem os mesmos valores de R2 e R3.

O circuito é alimentado pela fonte de alimentação estabilizada (FAE). Os resistores Rad e R0 permitem efetuar a calibração do analisador.

Quando o filamento sensível R2 é atravessado pela mistura gasosa, as condições da transferência de calor do filamento sensível R2 para as paredes da câmara de medição diminuem devido a menor condutividade térmica do C02 presente na mistura gasosa, com relação ao gás de referência (ar). Conseqüentemente, sobe a temperatura do filamento sensível R2 aumentando o valor de sua resistência ôhmica. A variação de R2 faz surgir entre os extremos do circuito uma tensão (mV) que será função da resistência ôhmica de R2 e, por conseguinte, do conteúdo, em volume, do C02 na mistura gasosa.

Limite da faixa de medição: a alteração da indicação é de ± 25% para 10°C de variação na temperatura ambiente (5 a 50°C).

Se o mesmo analisador for destinado a medir o conteúdo de H2 no gás de refrigeração de um alternador com uma escala de 80 - 100% de H2 no ar, o filamento de referência R3 deverá estar selado com uma mistura gasosa de 80% de H2 e 20% de ar. A transferência de calor do filamento sensível R2 para as paredes da câmara de medição melhorará com o aumento do conteúdo de H2, diminuindo a resistência do filamento.

O bloco do analisador onde estão instaladas as câmaras de medição é fabricado em estrutura metálica maciça com material de elevada condutividade térmica (latão, aço inoxidável, etc). As paredes das câmara.s de medição e comparação devem estar a mesma temperatura.

Normalmente, os filamentos sensíveis são instalados dentro de ampolas de vidro abertas. Os filamentos de comparação são montados dentro de ampolas de vidro seladas preenchidas com o gás de referência.

Todos os filamentos são montados nas câmaras de medição na direção vertical. O gás de amostra passa por um canal horizontal ortogonal a câmara de medição. O filamento sensível e banhado pelo gás de amostra através de difusão para que as indicações obtidas sejam relativamente independentes do fluxo do gás de amostra. A figura 6.3 ilustra a instalação do filamento em uma câmara de medição.

Figura 6.3 - Câmara de medição

103

A figura 6.4 mostra dois tipos modernos de analisadores de gás termocondutivimétricos.

(1) (2)

Figura 6.4 - (1) Analisadores de CO2 em argônio e (2) O2 em argônio

6.2.3. Analisadores por Combustão Catalítica

Os analisadores por oxidação catalítica baseiam-se também na medição das propriedades térmicas de um determinado componente da mistura gasosa. Contudo, o princípio de funcionamento é a medição do efeito térmico útil da reação de combustão catalítica do componente da mistura gasosa cujo conteúdo se deseja determinar. Há dois tipos desses analisadores também denominados termoquímicos:

• Analisadores em que a oxidação catalítica do componente da mistura gasosa ocorre na

presença de um catalizador sólido granulado que se mistura ao gás de amostra. • Analisadores em que a reação de combustão catalítica do componente da mistura gasosa

se desenvolve na superfície de um filamento aquecido ativo catalíticamente (platina, por exemplo). O filamento é aquecido a 200-400°C dependendo do seu material e do tipo de gás analisado.

O analisador descrito a seguir é um analisador termoquímico fabricado pela Bailey

(do segundo tipo citado anteriormente). O princípio básico para os analisadores de %02 por combustão catalítica Bailey é o

seguinte: quando um filamento de metal nobre (platina p. ex.) é aquecido e atravessado por uma mistura inflamável, a combustão é induzida em temperaturas consideravelmente inferiores a temperatura normal de ignição da mistura.

A figura 6.5 mostra o bloco analisador de gases Bailey. Um fluxo contínuo do gás de amostra é fornecido ao analisador pelo sistema de amostragem. As válvulas reguladoras de pressão controlam a pressão na entrada do orifício calibrado. A função do orifício calibrado é manter constante a vazão do gás de amostra. Sómente 1% do gás de amostra fornecido pelo sistema de amostragem é analisado. O resto é exaurido para a atmosfera através das válvulas reguladoras de pressão. Após o orifício calibrado, o gás de amostra é

104

misturado com uma vazão constante de hidrogênio para formar uma mistura inflamável. Essa mistura entra na câmara de medição onde existem dois filamentos: o da medição que fica exposto á mistura e o filamento de referência onde a mistura entra através de um pequeno orifício. Em ambos os filamentos ocorre a combustão da mistura, mas a intensidade é maior no filamento de medição pois este está sujeito a uma vazão muito maior de gás. Quanto maior for a concentração de oxigênio na mistura, maior será a intensidade da combustão e conseqüentemente maior a temperatura do filamento de medição. A variação da temperatura do filamento pode ser detectada através de um circuito em ponte, fornecendo uma medição do percentual de oxigênio na mistura. O filamento de referência tem a função de compensar as variações de grandezas físicas que ocorrerem no gás de amostra como: condutividade térmica, calor específico, etc. Após a combustão, os gases resultantes são exauridos para a atmosfera através de um tubo de descarga. Para evitar que a temperatura da amostra possa influenciar a medição obtida, o bloco do analisador é mantido a uma temperatura constante através de um conjunto resistor-- termostato.

Figura 6.5 – Esquemático de um analisador de % O2por combustão catalítica

6.2.4. Analisadores Termomagnéticos

O oxigênio tem uma grande afinidade ao campo magnético, isto é, é atraído por ele. Um material que é atraído por um campo magnético é denominado paramagnético ao contrário de uma substância repelida pelo campo que é denominada diamagnética. Quase todos os gases encontrados na natureza são diamagnéticos. Somente o oxigênio e óxido nítrico apresentam uma acentuada característica paramagnética. Afortunadamente, o óxido nítrico não é normalmente encontrado durante análises de oxigênio.

105

O efeito paramagnético do oxigênio diminui com o aumento da temperatura do gás. A figura 6.6 ilustra a célula de medição de um analisador da Hartman & Braun.

A célula é subdividida em duas câmaras: de medição e de referência. Um filamento espiralado com a forma circular é montado horizontalmente em cada câmara. Os pólos de um imã permanente produzem um forte campo magnético não-uniforme somente sobre a câmara de medição. O oxigênio contido no gás de amostra entra na câmara de medição e é atraído pelo campo magnético do imã. Ao se aproximar do filamento aquecido, o gás eleva sua temperatura e, conseqüentemente, diminui a sua característica paramagnética. Portanto, há uma diminuição da força de atração nas moléculas de oxigênio vizinhas ao filamento de medição em relação as moléculas mais frias distantes.

O campo magnético tende a atrair as moléculas frias de oxigênio para a área adjacente ao filamento enquanto que as moléculas já aquecidas são repelidas para longe. Assim, um fluxo contínuo de moléculas de O2 em direção ao filamento de medição é estabelecido. Esse fluxo, gerado por forças magnéticas, é definido como "vento magnético". A velocidade das moléculas é proporcional a porcentagem de oxigênio no gás de amostra. O vento magnético tende a esfriar o filamento de medição devido ao movimento das moléculas frias de oxigênio e a sua temperatura depende da velocidade (ou porcentual de O2 no gás) das moléculas. A alteração da temperatura do filamento de medição produz a variação da sua resistência que pode ser medida através de um circuito em ponte.

Figura 6.6 - Célula de medição de um analisador termomagnético da Hartman & Braun.

106

Um segundo filamento, denominado de referência, é montado em outra câmara adjacente a câmara de medição. Como a câmara de referência não é dotada de imã permanente, o movimento das moléculas do gás em direção ao filamento de referência é resultante somente da difusão e convecção térmica. O analisador termomagnético sofre a influência das seguintes variáveis:

• Temperatura ambiente: a temperatura do bloco de medição é controlada termostaticamente (usualmente em 50°C).

• Pressão barométrica: o resultado da ponte de medição é afetado pela densidade do gás e, portanto, pela pressão absoluta vigente. A característica paramagnética do oxigênio varia com o quadrado da pressão absoluta da amostra.

• Composição do gás de amostra. • Inclinação da célula de medição: uma inclinação de até 10° em relação a horizontal

não produz efeitos mensuráveis na medição. 6.2.5. Analisador Eletroquímico de Oxigênio

Os analisadores eletroquímicos são similares aos de combustão catalítica. A operação destes analisadores envolve a ionização do oxigênio a elevadas temperaturas. A concentração dos íons é proporcional a pressão parcial do oxigênio no gás de amostra.

A figura 6.7 mostra, esquematicamente, uma célula de medição utilizada neste método de medição.

Figura 6.7 - Elemento sensor de zircônio

O elemento sensor cerâmico de óxido de zircônio consiste de um tubo fechado em

uma das extremidades e que, quando submetido a temperaturas superiores a 650°C, se torna um condutor eletrolítico devido aos pontos vazios na rede cristalina que permitem a mobilidade dos íons de oxigênio. O aquecedor eleva a temperatura da célula para cerca de 800°C.

A superfície externa do tubo cerâmico é submetida a um gás de referência (geralmente ar atmosférico) enquanto que a superfície interna é exposta ao gás de amostra. Através do eletrólito (tubo cerâmico) é estabelecido então uma diferença de potencial que

107

depende da relação entre as pressões parciais do oxigênio nos dois gases. A pressão parcial do oxigênio no gás depende da concentração volumétrica do oxigênio no mesmo gás.

As superfícies externa e interna do tubo são revestidas com platina e servem de eletrodos para a detecção da diferença de potencial produzida. As reações ocorridas nesses eletrodos podem ser expressas por:

no anodo: O2 + 4e → 2 (0--) no catodo: 2(0--) → O2 + 4e

As moléculas de oxigênio no anodo (superfície de maior concentração de oxigênio) ganham elétrons e tornam-se íons. Simultaneamente, moléculas de oxigênio são formadas, por um processo inverso, no catodo (superfície de menor concentração de oxigênio). Esta diferença de potencial resultante é proporcional, também, a temperatura da célula. Esse fato exige um controle preciso da temperatura de todo o bloco de medição.

Devido à elevada temperatura de operação do elemento sensor, qualquer componente combustível presente no gás de amostra será oxidado. Conseqüentemente, diminuirá a pressão parcial do oxigênio no gás de amostra acarretando um erro na medição.

6.2.6. Analisadores de Oxigênio Dissolvido

A presença de oxigênio dissolvido na água de alimentação de caldeiras provoca a corrosão do metal das superfícies interiores dos tubos de vapor e água dos geradores de vapor. Para reduzir a corrosão é necessário limitar o conteúdo de oxigênio dissolvido na água de alimentação até 7-l0mg/kg.

Dentre os métodos utilizados para determinação do oxigênio dissolvido, o condutimétrico é o que será descrito a seguir. O funcionamento dos analisadores condutivimétricos baseia-se na utilização do efeito de uma reação irreversível entre o oxigênio dissolvido e um reagente qualquer. A reação vem acompanhada de uma variação na condutividade elétrica da solução. O reagente escolhido deve reagir rápida e totalmente com o oxigênio dissolvido formando um eletrólito forte e não entrar em contato com a água ou suas impurezas. O reagente deve ser facilmente encontrado na sua forma pura. O tálio metálico e o óxido de nitrogênio são os reagentes que mais se aproximam dessas características. O tálio metálico proporciona uma sensibilidade maior ao analisador. Contudo, possui uma toxidade e preço elevados. A figura 6.8 mostra o esquema de um analisador de oxigênio dissolvido utilizando tálio metálico.

Figura 6.8 - Esquema de um analisador de O2 dissolvido A válvula de isolação 1 impede a entrada da.amostra no refrigerador 2. O filtro 3 é

preenchido com 50% de resinas aniônicas e 50% de resinas catiônicas. A seguir a amostra atravessa o refrigerador complementar 4. O condutivímetro de eletrodos 5 mede a condutividade inicial da amostra. O cartucho 5 de polietileno aloja o tálio metálico cortado

108

em finas camadas. Neste cartucho o oxigênio dissolvido se combina com o tálio metálico formando o hidróxido de tálio monovalente segundo a reação abaixo:

O hidróxido de tálio obtido da reação de oxidação se dissolve na água na forma de

íons de tálio e hidroxila. O Tl(OH) é um eletrólito forte capaz de elevar a condutividade elétrica até um valor proporcional ao conteúdo de oxigênio dissolvido na água. A condutividade elétrica da solução é medida através da célula de condutividade 7. Comparado ao valor medido na célula 4 fornece um sinal proporcional ao conteúdo do oxigênio dissolvido na água. O filtro 8 absorve os íons de tálio, eliminando-os da solução.

O analisador do tipo descrito acima tem uma faixa de medição de 0 a 30mg/l de oxigênio. A classe de precisão é de 6%.

Outro analisador de oxigênio dissolvido em líquidos é o eletroquímico do tipo polarográfico. Os analisadores Hartmann & Braun, modelo Oxiflux, pertencem a essa categoria.

A célula de medição consiste de um eletrodo de medição em material nobre (prata), um contra-eletrodo fabricado em material resistente (aço inoxidável) que atua como anodo. Quando uma tensão de polarização é aplicada entre os eletrodos ocorre a redução do oxigênio conforme as reações abaixo:

no catodo (prata): O2 + 2H20 + 4e → 4(OH-) no anodo (aço inox): 4(OH-) → O2 + 2H2 + 4e

A corrente elétrica através do eletrólito da célula de medição (água de alimentação da caldeira, por exemplo) é proporcional a concentração de oxigênio dissolvido na amostra.

A relação entre a corrente iônica e a concentração de oxigênio é linear somente quando o potencial do eletrodo de medição (catodo) é constante.

A figura 6.9 mostra um desenho esquemático da célula de medição do analisador oxiflux.

Figura 6.9 - Célula de medição do analisador Oxiflux

O tubo interno de prata é o eletrodo de medição e está conectado as bucha M. O tubo externo é o contra-eletrodo e está conectado à bucha G. A amostra líquida entra na célula de medição na extremidade inferior e sai na tampa superior.

109

O eletrodo de referência tem a função de manter constante o potencial do eletrodo de medição. Consiste de um eletrodo de talamida que faz contato com a amostra através de um diafragma e uma solução de KCI.

Um sensor de temperatura da amostra compensa a informação da célula para variações de temperatura. 6.2.7. Analisadores de Hidrogênio Dissolvido

A determinação da velocidade de corrosão das superfícies metálicas interiores das tubulações de vapor e água de caldeiras é um parâmetro importante na supervisão do gerador de vapor. O hidrogênio dissolvido na água de alimentação ou no vapor é um produto inevitável do processo de corrosão e deve ser determinado.

Os métodos de análises laboratoriais requerem muito tempo e não podem refletir o caráter dinâmico dos processos de corrosão, além de não serem precisos. Como a velocidade de corrosão do metal depende de um conjunto de fatores como o regime de circulação de água e o regime térmico, somente o controle contínuo do conteúdo de hidrogênio dissolvido na água e vapor pode possibilitar a escolha do regime de trabalho correto do gerador de vapor.

A solubilidade de um gás qualquer na água depende da pressão parcial desse gás no meio gasoso acima da superfície líquida. A solubilidade não depende da composição do meio gasoso. Portanto, se água que contém hidrogênio dissolvido é introduzida numa atmosfera de oxigênio, o hidrogênio se desprenderá até estabelecer um estado de equilíbrio com o oxigênio. Assim, quanto maior for o conteúdo de hidrogênio dissolvido maior será o volume desprendido do líquido.

O conteúdo de hidrogênio dissolvido pode ser determinado a partir do conteúdo de hidrogênio na atmosfera de oxigênio.

A determinação do conteúdo de hidrogênio é conseguida através de analisadores de gases do tipo termocondutivimétrico. A figura 6.10 mostra o desenho esquemático de um analisador de hidrogênio dissolvido.

Figura 6.10 - Analisador de H2 dissolvido

A indicação é obtida através de um circuito elétrico em ponte de wheatstone formada pelos resistores R1, R2, R3, R4 e R0, a fonte de alimentação estabilizada FAE e o instrumento indicador AS.

110

O eletrolizador E1 cheio de potassa cáustica (KOH) é utilizado para obter oxigênio puro que é constantemente alimentado à coluna CR. Esta coluna recebe constantemente a amostra de condensado proveniente da coluna CP, que mantém uma pressão constante na entrada do orifício D. Como a dimensão do orifício D é constante, o fluxo de condensado alimentado à coluna CR é também uniforme e constante.

Na coluna CR o condensado entra em contato com o oxigênio puro e desprende hidrogênio até alcançar o estado de equilíbrio. Para melhorar o contato, a coluna CR é dotada de um filamento espiral de níquel.

A mistura gasosa composta de oxigênio e hidrogênio atinge o filamento sensível R4 fabricado com fio de platina coberto com vidro. O outro filamento de comparação R3 é selado em uma ampola de vidro preenchida com oxigênio (o gás de referência) e não fica exposta à mistura gasosa.

Como a condutividade térmica da mistura gasosa, devido ao hidrogênio, é maior que o gás de referência (oxigênio), a temperatura do filamento sensível R4 diminui e o mesmo acontece com o valor de sua resistência ôhmica. Surge, então, uma tensão de desequilíbrio no circuito em ponte, que é proporcional ao conteúdo do hidrogênio na mistura gasosa da coluna CR..

A faixa de medição do conteúdo de hidrogênio dissolvido dos analisadores descritos acima é de 0-20 mg/l e o limite de erro é de ±5%. 6.2.8. Sistemas de Amostragem de Gás

A função de qualquer sistema de amostragem é fornecer uma amostra limpa e representativa do gás de medição nas condições de pressão, temperatura e vazão requeridas pelo analisador.

Um sistema de amostragem, quando a medição é efetuada com o gás de amostra a baixa temperatura (abaixo do ponto de orvalho), compreende os seguintes equipamentos principais:

• Tubos de amostra ou sondas

• Sistema ejetor ou bombas de gás - Sistema separador

• Conjunto filtro-aquecedor

O ponto de retirada da amostra (localização dos tubos de amostra) deve ser escolhido de modo que a amostra de gás obtida seja representativa, e em quais variações na composição do gás sejam rapidamente sentidas. Os tubos de amostra constituem-se de tubos metálicos ou cerâmicos adequados as condições do processo. Após a sonda, o gás é misturado com água para baixar sua temperatura. O sistema é succionado por um ejetor que funciona acoplado a uma bomba hidráulica. O ejetor é dotado também de um tubo difusor-desintegrador que tem por finalidade misturar a amostra com água recirculada pela bomba. A amostra é descarregada sob pressão para o separador onde o gás de amostra é separado das partículas úmidas. O conjunto filtro-aquecedor tem por função separar as pequenas partículas de cinza agregadas ao gás de amostra e aquecer o gás resultante a fim de vaporizar qualquer umidade restante presente no gás. A figura 6.11 mostra o sistema de amostragem utilizado em um analisador de gases da Bailey.

111

Figura 6.11 – Sistema de amostragem de gás para análise

6.2.9. Medidores de Ph

A medição de pH permite determinar o grau de acidez ou alcalinidade de uma solução. O valor do pH é importante em muitas aplicações industriais como por exemplo: para controle da corrosão da água de caldeiras.

A água apresenta continuamente íons hidrogênio (H+) e íons hidroxila (OH-) dissociados:

H2 0  H+ + OH- As concentrações de íons hidrogênio e íons hidroxila são iguais a 10-7 (íons-grama/1) a 25°C.

[H+] = [OH-] = 10-7 O produto das concentrações (denominada constante de dissociação) de H+ e OH-, portanto, vale 10-14 a 25°C. Para temperaturas superiores, as concentrações são mais elevadas e a constante de dissociação será maior.

Quando um ácido (fórmula geral HA) é dissolvido em água, as moléculas se dissociam liberando íons hidrogênio para a solução:

HA → H+ + A- Conseqüentemente, aumenta a concentração de (H+) na solução. Estes íons hidrogênio adicionais conferem propriedades ácidas a solução.

Ao se dissolver uma base (fórmula geral BOH) em água, são liberados íons hidroxila (OH-) à solução. Conseqüentemente aumenta a concentração de (OH-) e diminui a concentração de (H+) pois a constante de dissociação se mantém inalterada para uma determinada temperatura:

BOH → B+ + OH-

112

Portanto, para t = 25°C, valem as seguintes relações:

Ácidos: [H+] > 10-7 Água : [H+] = 10-7 Bases : [H+] < 10-7

Para definir a alcalinidade ou acidez de uma solução adotou-se uma escala

logarítmica da concentração de íons hidrogênio. A escala logarítmica foi denominada de pH, ou seja:

pH = colog [H+] = - log [H+]'

Portanto, valem as seguintes relações:

Solução ácida : pH < 7. Água neutra : pH = 7

Solução básica: pH > 7

A faixa usual de medição de pH estende-se de 0 a 14, embora soluções concentradas de ácidos ou bases fortes podem extrapolar esses limites.

6.2.9.1. Métodos de Medição

Em laboratórios é comum a utilização de papéis que mudam de cor quando imersos em soluções com valores variáveis de pH. Para aplicações industriais este método não se adapta pois não produz uma informação continua.

Eletrodo de vidro

O eletrodo de vidro, descoberto em 1909 pelo químico alemão Frits Haber, consiste de uma membrana de vidro com forma esférica sensível ao pH da solução.

Quando este eletrodo é imerso em uma solução, produz uma diferença de potencial através da membrana, proporcional a concentração de íons hidrogênio da solução. A diferença de potencial pode ser calculada através da fórmula seguinte:

E (mV) = 0,1984 x T x (7 - pH)

onde

T = t + 273 = temperatura absoluta em °K

Para t = 0°C → E = 54,19mV/pH Para t = 25°C → E = 59,15mV/pH Para t = 5O°C → E = 64,11mV/pH

Para a medição do potencial resultante é necessário estabelecer contato com as

superfícies interna e externa da membrana. A conexão à superfície interna é efetuada através de um fio de prata, recoberto com cloreto de prata, imerso em uma solução estável com pH=7. Observe que esta configuração estabelece uma outra diferença de potencial, porém com valor estável e permanente. O contato com a superfície externa da membrana é efetuado através da solução de amostra e um eletrodo de referência adjacente. A figura 6.12 mostra, à esquerda, o aspecto de um eletrodo de vidro.

113

Figura 6.12 – Medição de pH com eletrodos • Eletrodo de referência O eletrodo de referência é utilizado para completar o circuito elétrico. Aparentemente, a imersão de um fio na solução resolveria o problema. Contudo, os metais em contato com soluções desenvolvem diferenças de potencial que dependem não só do pH, mas também das características dos metais e da solução. Portanto, um eletrodo de referência deve ser capaz de fornecer uma tensão estável independente das propriedades da solução.

A parte direita da figura 6.12 mostra um eletrodo de referéncia do tipo calomelano. Consiste de mercúrio em contato com uma pasta de cloreto de mercúrio/cloreto de potássio. Este conjunto está em contato com uma solução de cloreto de potássio. O contato com a solução de amostra é feito através de uma membrana cerâmica porosa colocada na extremidade inferior do eletrodo.

Termoconpensador

Como visto anteriormente, a d.d.p. produzida pelo eletrodo de vidro é função do pH da solução e também da sua temperatura. Portanto, para corrigir essa dependência do eletrodo de vidro é necessário prover o sistema de medição com um compensador. A compensação de temperatura pode ser feita manualmente ou através de um sensor de temperatura da solução. Consiste basicamente de um sensor de temperatura (termoresistor ou termistor) que envia sinal ao amplificador do sistema de medição, alterando o seu fator de ganho. Note-se que o termocompensador serve para corrigir a indicação obtida somente em relação a característica de temperatura do eletrodo de vidro. O pH de uma solução depende da temperatura e essa dependência não é eliminada pelo termocompensador. 6.2.10. Medição de Condutividade Elétrica

114

A medição de condutividade elétrica é utilizada para a determinação da concentração de soluções aquosas de ácidos, bases ou sais. Ao contrário da medição de pH, que permite a medição da concentração de íons hidrogênio somente, a medição da condutividade permite determinar também as concentrações de sais. A principal utilização da condutividade elétrica é na determinação da concentração de impurezas (sais dissolvidos) em soluções aquosas como água de caldeiras e equipamentos para tratamento de água. Neste caso, a concentração é também denominada de dureza.

A capacidade de uma substância em conduzir eletricidade é o inverso da resistência e é denominada de condutância. A unidade de medida é o mho ou siemens e representa o inverso do ohm. A condutância de qualquer material depende de sua natureza, a forma do caminho condutor e sua temperatura. Em instrumentação utiliza-se, mais usualmente, o conceito de condutividade que é a condutância de um volume de material com comprimento e área transversal unitários. A condutância pode ser definida como:

A unidade de condutividade deve ser então mho/cm ou siemens/cm. A condutância

de um liquido é medida através de uma célula de condutividade . Consiste de dois eletrodos de geometria conhecida espaçados por uma distância fixa. A condutividade da solução é, então, medida e pode ser calibrada diretamente em unidades de condutividade, pois a geometria da célula é conhecida. A relação comprimento/área é definida como constante da célula e é expressa em unidades (cm)-1. Se em uma célula de medição de condutividade os eletrodos têm área transversal de 1cm2 e estão espaçados de 1cm, a constante da célula é de 1(cm)-1.

O interesse industrial na medição da condutividade de um líquido surge da relação existente entre condutividade e concentração de íons em soluções aquosas. A água propriamente dita conduz muito pouca eletricidade. Portanto, a condutividade de uma solução aquosa é quase exclusivamente função dos eletrólitos dissolvidos. A figura 6.13 mostra uma série de curvas relacionando condutividade e concentração para uma série de eletrólitos.

Figura 6.13 – Condutividade x concentração

Observe que para baixas concentrações, a concentração varia linearmente com a

condutividade. A condutividade depende da temperatura da solução e, em geral, aumenta com a temperatura. Portanto, para medições precisas o sistema de medição deve ser dotado de correção de temperatura.

7. INSTRUMENTOS PARA SUPERVISÃO

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7.1. INTRODUÇÃO

Existe uma variedade imensa de medidores utilizados especificamente para supervisão de máquinas industriais. Serão descritos, a seguir, aqueles tipos mais comumente utilizados.

7.2. MEDIDORES DE ROTAÇÃO

Os medidores de rotação mais usuais são pequenos geradores de corrente alternada acionados diretamente pelo eixo da máquina. O gerador consiste de um imã permanente no rotor e um estator bobinado. A freqüência e amplitude da tensão do enrolamento no estator são proporcionais a rotação do rotor.

Um medidor muito utilizado para detectar rotação é o sensor indutivo de rotação mostrado na figura 7.1.

Figura 7.1 – Sensor indutivo de rotação

Consiste de um enrolamento montado ao redor de um imã permanente. O conjunto é

instalado junto a uma roda dentada fabricada em material magnético e solidária ao eixo girante. Cada vez que um dente da roda atravessa o campo magnético é produzido no enrolamento um pulso. A freqüência dos pulsos resultantes é dada pela expressão abaixo:

f = freqüência dos pulsos, em Hz RPM = rotação do eixo, em rpm N = número de dentes da roda

7.3. DETECTORES DE VIBRAÇÃO

Os detectores de vibração usualmente encontrados em máquinas girantes de grande porte são os detectores de velocidade de vibração. Consistem de um enrolamento suspenso através de molas submetido à ação de um campo magnético produzido por um imã

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permanente. Todo o conjunto suspenso (enrolamento e molas de suspensão) é amortecido e possui uma baixa freqüência natural de oscilação (geralmente inferior 15Hz). Quando o detector de vibração é submetido a uma oscilação cuja freqüência é superior a sua freqüência natural, o conjunto suspenso torna-se estacionário devido ao amortecimento. O movimento relativo entre a bobina suspensa e o imã permanente produz uma tensão induzida no enrolamento cuja amplitude é proporcional a velocidade da vibração e a freqüência é igual à freqüência de vibração do detector. Esse tipo de detector é utilizado em equipamentos de supervisão de turbinas.

Figura 7.2 - Detector de velocidade de vibração

O detector de vibração descrito e mostrado, esquematicamente, pela figura 7.2,

produz uma tensão cuja amplitude é proporcional à velocidade de vibração, isto é, à taxa de variação da amplitude de vibração em relação ao tempo (unidades: mm/s, m/s). Para se obter a amplitude de vibração (unidades: micron ou mil - milésimo de polegada) é necessário que a tensão do detector passe por um circuito eletrônico denominado integrador. 7.4. DETECTORES DE EXPANSÃO DIFERENCIAL

Nas turbinas a vapor é importante supervisionar as dilatações e contrações do conjunto rotor-carcaça. Uma dilatação ou contração excessiva poderá colocar em risco todo o equipamento devido à possibilidade de interferência entre as partes girantes e estacionárias da máquina. Surge, então, a necessidade da determinação quantitativa da dilatação diferencial (ou relação entre o rotor e a carcaça das diversas seções da turbina, por exemplo).

Os medidores indutivos são amplamente utilizados devido, principalmente, a sua robustez. Consistem de dois conjuntos de bobinas instaladas paralelamente às faces de um anel concêntrico ao eixo da turbina. Cada par de bobinas é rigidamente fixado à carcaça da seção da turbina. As bobinas são conectadas em um circuito ponte cuja tensão de alimentação tem uma freqüência usualmente de 400Hz. Uma expansão diferencial se manifesta através do movimento relativo entre o anel e as bobinas, alterando os respectivos entre-ferros. As variações dos entre-ferros alteram as relutâncias dos circuitos magnéticos

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das bobinas que desequilibram o circuito em ponte fazendo surgir uma tensão alternada proporcional à dilatação diferencial entre o rotor e a carcaça.

Figura 7.3 - Detector de expansão diferencial Dependendo do sentido do movimento relativo (G1 > G2 ou G1 < G2 – figura 7.3), pode- se ter uma dilatação diferencial positiva ou negativa, também denominado rotor longo ou

rotor curto. 7.5. DETECTORES DE EXCENTRICIDADE

Esses detectores determinam a excentricidade do eixo da turbina quando a mesma está em operação de giro lento. Consistem de um par de conjuntos de bobinas montadas na periferia de um anel do próprio eixo da turbina. Quando o movimento do eixo não é excêntrico (centro do eixo permanece estacionário), as relutâncias magnéticas das bobinas são idênticas, pois os entre-ferros são iguais. A excentricidade do eixo varia as relutâncias magnéticas das bobinas produzindo uma tensão alternada cuja amplitude é proporcional a excentricidade do eixo. A figura 7.4 ilustra, esquematicamente, os princípios de funcionamento destes dispositivos.

Figura 7.4 - Detectores de excentricidade

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8. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE

8.1.TIPOS DE VÁLVULA DE CONTROLE

8.1.1. Introdução

Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: o corpo e o atuador.

O corpo é a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluído no interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto de corpo divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos:

• Corpo propriamente dito • Internos • Castelo • Flange inferior

Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo

formados por todos os subcomponentes acima mencionados. Em alguns tipos de válvulas, corpo e castelo formam uma só peça denominada de apenas corpo e, em outros, nem existe o flange inferior.

Sendo o conjunto do corpo, a parte da válvula que entra em contato direto com o fluído, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluído. Trata-se, portanto de um vaso de pressão e como tal deve ser considerado. 8.1.2. Tipos de Corpos

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e, portanto, quando, de alguma maneira, se está falando de tipos de válvulas subentende-se tipos de corpos.

Podem ser agrupados os principais tipos de válvulas em dois grupos: • Globo convencional • Globo três vias;

a) De deslocamento linear • Globo gaiola • Diafragma; • Bi-partido; • Guilhotina • Borboleta;

b) De deslocamento rotativo • Esfera; • Obturador Excêntrico.

Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante; enquanto que uma válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedante descreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante.

Para cada tipo de processo ou fluído sempre existe, pelo menos, um tipo de válvula que satisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideração econômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações para este ou aquele processo.

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No decorrer deste estudo, serão analisados todos esses aspectos, oferecendo assim uma sólida base para o usuário poder selecionar a melhor válvula para a aplicação em questão. 8.1.3. Válvulas de Deslocamento Linear da Haste 8.1.3.1. Válvula de Controle Tipo Globo Convencional

Este item trata, sem dúvida alguma, de uma das válvulas de controle mais completa e versátil. A válvula globo pode ser sede simples (com corpo apenas reversível) e sede dupla.

Sede Simples

A figura 8.1. mostra várias montagens da denominada válvula globo tipo sede simples. É fabricada em diâmetros de ½’’ até 10’’ e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2’’), flangeadas ou soldadas, nas classes de 150 , 300, 600, 900 e 1500lbs.

Neste tipo de válvula, o fluído no interior do corpo, passa através de um único orifício, conforme podemos notar pela figura 8.1.

Figura 8.1 – Válvula globo convencional tipo sede simples

Na figura 8.1a, notamos que o obturador é guiado duplamente, isto é, superior e

inferiormente, e ainda um fato muito importante é que para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo, ou seja, deve descer. Tal tipo de montagem é denominada de desce para fechar ou normalmente aberta. Por outro lado, na figura 8.1b, vemos a mesma válvula, só que o obturador está invertido. Neste caso para a válvula abrir, o obturador tem que descer. Podemos notar que a única diferença entre essas duas válvulas é a posição de aberta e fechada em relação ao mesmo movimento do obturador. Enquanto que na primeira o obturador ao descer fecha a válvula, a segunda abre-a em resposta ao mesmo movimento do obturador. Esta é, portanto, uma válvula desce para abrir ou mais conhecida por normalmente fechada. Uma é inversa da outra quanto ao seu funcionamento.

Na Figura 8.1c, vemos uma outra sede simples um pouco diferente das anteriores. O obturador é guiado apenas superiormente e ao descer a válvula só pode fechar, não

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existindo a possibilidade de montagem do obturador em posição invertida ou por baixo. Essa válvula em relação ao movimento do obturador de cima para baixo, só pode fechar.

O fato de uma válvula ser normalmente aberta ou normalmente fechada é um fator muito importante a ser levado em consideração na escolha da válvula. Isso significa que na posição de descanso, ou seja, sem força de atuação, a válvula pode ficar completamente aberta ou completamente fechada. Uma válvula normalmente aberta ficará totalmente aberta em caso de falta de suprimento de energia para operação do atuador, não podendo ser escolhida para aplicações como, por exemplo, dosagem de um determinado produto. Nesse caso a escolha certa seria uma válvula normalmente fechada, que ficaria totalmente fechada em caso de falha no sistema de suprimento de energia.

As principais características da válvula globo sede simples são: proporciona uma boa vedação e possui obturador estaticamente não balanceado. Assim sendo podemos atingir um vazamento, quando a válvula estiver totalmente fechada de, no máximo ate 0,01% da sua capacidade de vazão máxima.

Sede dupla

A figura 8.2 mostra duas montagens diferentes da válvula globo sede dupla, assim denominada pelo fato do fluxo passar através de duas passagens ou orifícios.

Figura 8.2 – Válvula globo convencional tipo sede dupla

Na figura 8.2a, vê-se uma válvula guiada duplamente e com obturador desce para

fechar enquanto que na figura 8.2b, a montagem do obturador é por baixo, tipo desce para abrir. A válvula sede dupla e, portanto de corpo reversível.

É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500lbs. A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto à válvula sede simples, conforme podemos deduzir com o auxilio da figura 8.3.

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Figura 8.3 – Atuação das forças dinâmicas provenientes do fluído agindo contra o

obturador de uma válvula globo sede dupla

Sendo nula a força resultante da pressão do fluído, o atuador precisaria de força apenas suficiente para vencer o peso das partes móveis mais os atritos e forças da mola do atuador. Neste caso diríamos que a válvula é totalmente balanceada. Porém, as áreas de passagem não são iguais (caso contrário não haveria, possibilidade de executarmos a montagem do obturador e anéis da sede), tendo uma diferença de 1/16” a 1/8” no diâmetro. É dessa diferença que surge a força resultante do fluxo.

Como desvantagens, as válvulas sede dupla, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5% da sua máxima capacidade de vazão. Em principio pode-se pensar que o seu vazamento seria logicamente o dobro do apresentado nas válvulas sede simples, ou seja, 0.02%, porém, é bem maior devido a dois fatores a mais que devem ser considerados:

• Por ser semi-balanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de

qualquer posição ( nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem) • Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios simultaneamente,

principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no obturador, pois, sendo uma parte do obturador maior que a outra, aquela dilatará mais que esta.

8.1.3.2. Válvula de Controle Globo de Três vias

Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em aplicações de mistura ou separação de fluidos. Este tipo de válvula é mostrado na figura 8.4.

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Figura 8.4 – Válvula globo de 3 vias

Na válvula tipo convergente, conforme visto pela figura 8.4a, fluidos quaisquer e

separados entram pelas vias (2) e (3), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (1) já misturados. A proporção da mistura é determinada pela posição do obturador relativa às duas sedes. Um deslocamento do obturador para cima faz diminuir a entrada do fluido por (2), aumentando simultaneamente a entrada do fluido por (3). É fabricada em diâmetros de 3/4” até 8” e com conexões nas extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas. Podemos notar neste tipo de válvula um novo modo de guia dupla: superior e no anel da sede.

Na figura 8.4b vê-se uma válvula de três vias tipo divergente, na qual o fluido entra pela via (1) e sai em proporções definidas pelas vias (2) e (3). É fabricada em diâmetros de 3/4" até 12" com extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas.

Uma aplicação bastante conhecida da válvula três vias divergente é o de desvio de um trocador de calor conforme vemos pelo esquema da figura 8.5.

Figura 8.5 – Válvula globo de 3 vias tipo divergente utilizada para desvio de um trocador de calor As válvulas de 3 vias, devido a sua configuração e utilização, não apresentam

vedação completa, pois, enquanto fechamos um orifício, o outro fica completamente aberto.

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8.1.3.3. Válvula Globo Tipo Gaiola

Trata-se de uma válvula de concepção antiga, porém totalmente renovada e aperfeiçoada nos últimos anos, fato esse que lhe possibilitou uma contínua e crescente utilização na quase totalidade dos processos industriais. A válvula tipo gaiola apresenta uma concepção de internos substancialmente diferente da globo convencional.

O amplo sucesso deste estilo de válvula está totalmente fundamentado nos seguintes aspectos:

• Facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a manutenção na própria instalação;

• Alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia do obturador na gaiola, obtendo desta forma uma área de guia da ordem de 30% superior à obtida pela guia superior e inferior da válvula globo convencional;

• Capacidade de vazão da ordem de 20 a 30% maior que o obtido nas válvulas globo convencionais;

• Menor peso das partes internas, resultando assim numa freqüência natural maior dessas partes, o que faz com que a válvula fique menos susceptível à vibração horizontal do obturador, proporcionando dessa forma menos ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas;

• Não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as válvulas tipo globo convencionais.

Por não possuir flange inferior, a válvula tipo gaiola não possui corpo reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluido, se necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado.

Dentro da concepção inerente a estilo da válvula gaiola, e dentre os vários tipos de construção que são oferecidos, alguns são apresentados a seguir:

Válvula Globo tipo Gaiola Sede Simples

Nas figuras 8.5.a e b vê-se dois exemplos deste tipo de válvula. O fluido entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola. Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de uma válvula não balanceada como a globo convencional sede simples, pois a força do fluido tendendo abrir à válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de se precisar de uma grande força de atuação. Pela figura 8.5, nota-se também que não sendo uma válvula de corpo reversível, com o deslocamento do obturador de cima para baixo a válvula fecha, ou seja, desce para fechar. Se quisermos uma ação desce para abrir teríamos que alterar de alguma forma o sentido do movimento do obturador. Apresenta um vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão, quando totalmente fechada. É fabricada em diâmetros de ½” até 6” nas classes de 150, 300 e 600lbs.

As conexões das extremidades podem ser rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas.

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Figura 8.5 – Válvula globo tipo gaiola sede simples

Válvula Globo Tipo Gaiola Balanceada

Esta construção é basicamente similar a anterior, conforme pode ser visto pela figura

8.6.

Figura 8.6 – Válvula globo tipo gaiola balanceada

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Apenas que, neste caso, o obturador é balanceado dinamicamente (como acontece na válvula globo sede dupla) devido ao orifício interno no obturador, que faz com que a pressão do fluido comunique-se com ambos os lados do obturador, formando-se assim um balanceamento de forças. Precisamos, portanto, de uma menor força de atuação neste caso do que no anterior sede simples. O fluido neste tipo de construção entra por cima, conforme uma flecha indicativa presa ao corpo da válvula. Porém, da mesma forma que acontece com a globo convencional sede dupla, a válvula tipo gaiola balanceada, não apresenta boa vedação, permitindo um vazamento de até 0,5% da máxima capacidade de vazão da válvula.

É fabricada em diâmetros de ¾” até 6” nas classes de 150, 300 e 600lbs. As conexões podem ser rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas.

Válvula Tipo Gaiola com Internos de Baixo Ruído

Existem diversos tipos de válvulas de controle com internos especialmente projetados

para aplicações onde haja a necessidade de uma considerável redução do nível de ruído aerodinâmico (ruído produzido pelo escoamento de gases e vapores a altas velocidades) produzido numa válvula de controle. Embora todos esses sistemas de internos para atenuação do ruído sejam baseados em princípios físicos diferentes, apresentam, porém, um fato em comum: produzem uma distribuição do fluxo do gás ou vapor através de uma série de restrições localizadas no sistema de internos.

Figura 8.7 – Válvula globo tipo gaiola com internos de baixo ruído

Na figura 8.7a, vê-se um sistema de internos tipo gaiola de baixo ruído. Basicamente

trata-se de vários anéis circulares e concêntricos formando um conjunto, como pode ser notado pela figura 8.7b. O número de anéis utilizados depende das condições de operação e da atenuação de ruído requerida.

Pela figura 8.7c, é possível notar melhor o seu funcionamento. O fluído entra, à pressão Pe, através dos orifícios do primeiro elemento, após o que, distribui-se pelo anel de estagnação, onde perde velocidade antes de entrar nos orifícios do segundo elemento. Repete-se o processo no seguinte anel de estagnação e próximo elemento até que o fluído

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atinja a saída após o último elemento, a uma pressão, então, de Ps. O número de orifícios, em cada elemento, é calculado de forma a manter a velocidade média de escoamento igual em todos os elementos. 8.1.3.4. Válvula de Controle Tipo Diafragma

Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. Uma válvula de controle tipo diafragma conforme vista na figura 8.8, consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento da válvula.

Figura 8.8 – Válvula tipo diafrágma

A válvula de controle tipo Diafragma ou Saunders, assim denominada por se tratar

de uma patente mundial da Saunders (Inglaterra), possui como vantagens um baixo custo, total estanqueidade quando fechada, já que o assento é composto, e facilidade de manutenção. Entretanto não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado em diâmetros de até 6" para efeito de aplicações em controle modulado. Fabricada em classes 125 e 150lbs, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2") e flangeadas.

Uma outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou teflon), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluido em função do material do diafragma. Uma particularidade muito importante e notável é que, devido a forma interna do seu corpo, é possível o revestimento interno das paredes do corpo com materiais, tais como: vidro, ebonite, plástico, chumbo ou teflon, o que possibilita o uso deste tipo de válvula mesmo em corpo de ferro fundido, porém revestido, em aplicações corrosivas.

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8.1.3.5. Válvula de Controle Bi-partida

Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas, principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se necessária uma freqüente inspeção ou substituição dos internos da válvula.

A válvula de controle de corpo bi-partido conforme vista na figura 8.9, foi desenhada para tais situações possibilitando uma fácil manutenção devido à facilidade de acesso aos internos. Neste tipo de válvula, o anel da sede é preso (ao contrário da globo convencional onde é rosqueado) entre as duas metades do corpo, podendo ser facilmente removido.

Figura 8.9 – Válvula tipo bi-partida

Devido a ser uma válvula utilizada em fluidos altamente corrosivos, o material do

corpo é especial e, portanto caro, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe, soldados ao corpo. Estes flanges podem ser em aço carbono comum mesmo que o corpo seja de material superior. A guia do obturador é apenas superior ou superior e no anel da sede.

Uma desvantagem deste tipo de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha por meio de solda (pois neste caso as metades do corpo não poderiam ser separadas para a remoção do anel interno), já que em tais aplicações tão corrosivas nas plantas químicas, é bastante comum a normalização deste tipo de fixação.

Este tipo de válvula é apenas de sede simples, apresentando índices de vazamento na ordem de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão.

É normalmente fabricada em diâmetros de 1/2” a 12”, e com conexões flangeadas nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500lbs. 8.1.3.6. Válvulas de Controle tipo Guilhotina

Trata-se de uma válvula originalmente projetada para a indústria de papel e celulose, porém, hoje em dia a sua aplicação tem atingido algumas outras aplicações em indústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimento de água, etc. Contudo, a sua principal aplicação continua sendo em controle biestável com fluídos pastosos, tais como massa de papel.

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È uma válvula de concepção simples, sem castelo conforme pode ser observada pela figura 8.10.

Figura 8.10 – Válvula tipo guilhotina

È fabricada em diâmetro de 2” até 24” com conexões sem flanges para ser instalada

entre par de flanges da tubulação classe 150lbs. 8.1.3.7. Internos de Válvulas de Deslocamento Linear

Normalmente costuma-se definir ou representar os internos de uma válvula de controle como o coração da mesma.

Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partes denominadas de internos representam o papel principal da válvula de controle, ou seja, produzir uma restrição variável à passagem do fluido conforme a necessidade imposta pela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão que passa e a abertura da válvula (afastamento do obturador em relação à sede).

Esta tal relação é denominada de características de vazão da válvula e pode-se, por enquanto, defini-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e o afastamento do obturador relativo à sede. Este afastamento é uma fração de deslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total da válvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador.

Não fosse o bastante isso, as partes internas têm que ainda proporcionar a necessária estanqueidade da válvula quando totalmente fechada.

O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e que entram em contato com o fluido de processo. Tal conjunto é formado por: obturador, anel

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da sede, guia e gaiola (no caso das válvulas tipo gaiola), conforme pode ser vista pela figura 8.11.

Figura 8.11 – Internos da válvula globo: a) Convencional; b) Gaiola

8.1.3.8. Internos da Válvula Globo Convencional

O obturador é o elemento vedante do conjunto dos internos da válvula (ver figura 8.12) com formato de disco ou de contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo, obstruindo o orifício de passagem, de modo a formar uma restrição variável ao fluxo.

Figura 8.12 – Obturadores da válvula globo convencional

O obturador para poder produzir uma predeterminada característica de vazão deve possuir um formato de contorno caracterizado.

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Existem, e vão ser vistas mais adiante com maiores detalhes, quatro tipos básicos de características de vazão: Linear, Igual Porcentagem, Parabólica Modificada e Abertura Rápida.

8.1.3.9. Internos da Válvula Tipo Gaiola

A válvula com internos tipo gaiola teve seu início de utilização por volta de 1940 em aplicações de alta pressão como no caso da produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira, etc.

Os internos tipo gaiola, conforme o desenho conhecido hoje, foram produzidos por volta de 1963 e rapidamente alcançaram uma boa parte do mercado.

Partindo da premissa que a válvula globo convencional tem sido indiscutivelmente a válvula mais completa durante muitos anos, é correto considerar que a válvula globo tipo gaiola seja de alguma forma mais completa que a convencional, pois se trata de uma adaptação desenvolvida para satisfazer algumas aplicações que por ventura a globo convencional não realiza com o desempenho desejado.

Estando nos internos a única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, é interessante deter-se um pouco mais neste tipo de internos.

O perfeito tipo do guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças de fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema de janelas, resulta nas quatro (4) principais vantagens, deste tipo de internos:

• Estabilidade de controle em qualquer pressão; • Redução do esforço lateral e atrito; • Possibilidade de estanqueidade de grandes vazões a altas pressões com atuadores

normais; • Maior vida útil do chanfro da sede. O chanfro da sede é definido como sendo a área do anel da sede que se encosta ao

obturador, formando o assentamento deste na posição de fechamento. A vida do chanfro da sede é aumentada eliminando-se a vibração em baixos cursos e por uma maior distribuição uniforme do fluxo através do orifício do anel da sede, resultando em menor canalização do fluxo e desgaste por erosão.

O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as áreas de assentamento e de restrição ou controle fazendo assim com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluido.

O funcionamento da restrição e modulação provida por este tipo de válvula, é mediante o sistema da gaiola (que é uma peça cilíndrica e oca), conforme vemos pela figura 8.13, em cujo interior desloca-se o obturador, como se fosse um pistão de cilindro. A gaiola possui um determinado número de passagens ou janelas, as quais distribuem uniformemente o fluxo ao redor do obturador e na maioria dos desenhos deste tipo de válvula, serve como guia do obturador. Tais janelas apresentam formatos caracterizados sendo elas, em conjunto com a posição relativa do obturador, que proporcionam a característica de vazão, ao invés de ser o formato do obturador como na válvula globo convencional.

Os dois desenhos mais comuns de internos tipo gaiola são: sede simples e balanceado, ilustrados pelas figuras 8.13a e b.

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Figura 8.13 – Princípio de funcionamento da ação de controle dos internos tipo gaiola:

a) Sede simples e b) Balanceado

8.1.3.10. Tipos de Guia do Obturador Válvula Globo

É através do sistema de guias que o obturador alinha-se em relação à sede, possibilitando assim um perfeito encaixe das superfícies de assentamento.

As guias devem resistir a todos os esforços laterais sobre o obturador, provenientes das forças exercidas pelo fluido de processo.

São vários os tipos de guias do obturador utilizados, ilustrados na figura 8.14:

Figura 8.14 – Tipos de guia do obturador da válvula globo

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Guia superior: possui uma bucha a qual guia o obturador superiormente (figura 8.14a).

Guia superior e inferior: é utilizada com obturadores tipo contorno ou passagem em “V” maciço, cujas extremidades são guiadas superior e inferiormente (figura 8.14b).

Guia na Sede: o obturador é guiado apenas na sede por meio da saia do obturador. É utilizados em válvulas com obturadores de passagem em “V” ocos e nas válvulas globo de três vias (figura 8.14c).

• Guia na gaiola: conforme vê-se na figura 8.14d, a gaiola é que guia o obturador. Outros tipos secundários de guias são combinações dos quatro tipos principais

dados acima como se pode notar pela figura 8.14e, onde é mostrado um obturador guiado na parte superior e na sede. 8.1.3.11. Castelo

O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas, é definido como sendo "um conjunto que inclui a parte através da qual uma haste do obturador de válvula move-se, e um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste". Ele proporciona também um meio para montagem do atuador.

Sendo uma peça sujeita à pressão do fluido, tem de satisfazer aos mesmos requisitos de projeto que o corpo.

No próprio castelo dispõem-se os meios para prender o atuador, conter a caixa de gaxetas e poder ainda conter a bucha de guia superior para guiar o obturador como acontece no caso das válvulas globo convencional, conforme se pode notar pela figura 8.15a onde se mostra um castelo tipo normal para utilização nas válvulas globo convencionais.

Figura 8.15 – Tipos de castelos utilizados nas válvula globo

133

O castelo é, portanto um subconjunto do corpo na maioria das válvulas de controle, embora existem tipos de válvulas como as rotativas (borboleta, esfera e excêntrica), e a bipartida nas quais o castelo é parte integral ao corpo, não se constituindo, portanto, de parte independente. Assim sendo, os exemplos de castelos que aqui serão dados servem apenas para aquelas válvulas nas quais o castelo é uma peça separada.

Os castelos classificam-se em: • Castelo Normal (figura 8.15a): é o castelo padrão utilizado para fluído entre –18 a

232ºC. Esta limitação é imposta pelo material da gaxeta já que a sua localização está bem próxima ao fluído

Castelo Longo (figura 8.15b): é semelhante ao interior, a menos da sua altura que faz com que a caixa de gaxeta fique um pouco mais afastada do fluído. Recomenda-se sua utilização para aplicações com fluídos em temperaturas de –45 a –18°C e 232º à 430ºC.

Castelo Extra-Longo (figura 8.15c): é fabricado de tubo ou fundido possuindo uma maior altura que o anterior. É especificado para aplicações em baixíssimas temperaturas ou criogenias como –100 à –45ºC para evitar que o teflon das gaxetas congele.

Castelo com fole de selagem (figura 8.15d): este tipo de castelo é especificado em casos especiais nos quais seja proibitivo um vazamento para o meio ambiente através da gaxeta. Englobam-se neste tipo aplicações especiais, caso tais como, fluídos radioativos, tóxicos ou explosivos. Ele possui no interior um fole metálico de aço inoxidável e soldado de modo a formar uma câmara de pressurização interna, entre a parte do fole e as superfície da haste.

8.1.3.12. Conjunto da Caixa de Gaxetas

O propósito do conjunto da caixa de gaxeta é o de proporcionar uma selagem contra vazamentos dos fluídos do processo, como pode ser observado pela figura 8.16.

Figura 8.16 – Tipos de caixa de gaxetas utilizadas nas válvulas de deslocamento

linear da haste Caso não haja boa selagem por meio do conjunto da caixa de gaxetas, haverá sempre

um vazamento do fluído para o meio ambiente, sempre que a pressão do fluído seja superior á pressão atmosférica, ou uma entrada de ar, caso a válvula esteja trabalhando em pressões de vácuo.

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O conjunto geral da caixa de gaxetas é formado conforme podemos acompanhar através da figura 8.16, pelos seguintes componentes: flange do prensa gaxetas, prensa gaxeta, anéis da gaxeta, retentor de graxa, subconjunto de lubrificação e mola de compressão (caso a gaxeta seja de anéis em “V” de teflon). No caso de gaxeta em anéis quadrados, como os à base de amianto, a mola não é necessária, sendo a compressão feita pelo aperto do prensa gaxeta.

O sistema de lubrificação externa (utilizando caso o material da gaxeta necessite de lubrificação) pode ser observado pela figura 8.16c. A válvula de bloqueio produz uma selagem entre a caixa de gaxetas e o lubrificador evitando assim que o fluído do processo impossibilite a introdução da graxa lubrificante.

As principais características do material utilizado para a gaxeta, devem ter elasticidade, para facilitar a deformação; produzir o mínimo atrito e deve ser de material adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluído de processo.

Os principais materiais de gaxeta são: Teflon e amianto impregnado. • Teflon (TFE): é o material mais amplamente utilizado devido as suas notáveis

características de mínimo coeficiente de atrito, e de ser praticamente inerte quimicamente a qualquer fluído. Devido as suas características, a gaxeta de teflon não requer lubrificação externa e a sua principal limitação é a temperatura. A gaxeta de teflon é formada de anéis em “V” de teflon sólido, e requer uma constante compressão para o seu posicionamento firme e compacto, provida por meio de uma mola compressão.

• Amianto impregnado: é ainda um material de gaxeta bastante popular devido às características do amianto adicionadas às de alguns aditivos e à facilidade de manutenção e operação. Não sendo autolubrificante, utiliza-se o amianto impregnado com aditivos tais como teflon, mica, inconel, grafite, etc. Este tipo de gaxeta é do tipo quadrada e comprimida por meio do prensa gaxeta. Requer lubrificação externa, com exceção ao amianto impregnado com teflon.

Recentemente surgiu um novo material de gaxeta denominado de Grafoil. Trata-se de

material á base de grafite e comercializado em fitas flexíveis de vários tamanhos. É um material praticamente inerte quimicamente e suporta temperaturas altíssimas (o ponto de volatilização é de 3650ºC). Seu único inconveniente reside no fato de que produz um certo travamento da haste, já que por ser fita, ela deve ser enrolada ao redor da haste e socada para compactá-la formando diversos anéis.

8.1.4. Válvulas de Deslocamento Rotativo da Haste

Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas denominadas de rotativas. Basicamente estes tipos de válvulas apresentam vantagens e desvantagens. Nas vantagens pode-se considerar o baixo peso em relação aos outros tipos de válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custo inicial mais baixo, etc. Dentre as desvantagens citamos e limitação em diâmetro inferiores a 1’’ ou 2’’ e quedas de pressão limitadas, principalmente em grandes diâmetros. 8.1.4.1. Válvulas de Controle Tipo Borboleta

É talvez a mais comum das válvulas rotativas utilizadas para controle. A válvula borboleta, conforme pode ser vista na figura 8.17, consiste de um corpo tipo anel circular, no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. A

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sede nesta válvula é a própria parede interna do corpo. Nota-se desde já uma enorme simplicidade de desenho. O seu corpo na maioria dos desenhos é sem flange. Sua construção é possível em diâmetros de 2’’ até 24’’. Admite o fluído em qualquer direção.

Figura 8.17 – Válvula tipo borboleta

O desenho de corpo mais comum é o tipo “wafer”, sendo preso á tubulação entre par

de flanges conforme mostra a figura 8.18. Pelo fato do corpo não possuir flanges, não é costume especificar a válvula borboleta “wafer” pela classe de pressão conforme ANSI, como é feito nas válvulas flangeadas.

Figura 8.18 – Montagem da válvula tipo wafer

Convenciona-se especificar a válvula borboleta “wafer” para uma determinada

queda máxima de pressão quando totalmente fechada e a 60° de abertura, posição esta definida como curso máximo para aplicações em controle modulado.

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Quando adequadamente selecionada, a válvula borboleta, geralmente em diâmetros de 4” e superiores, oferece a vantagem de simplicidade, baixo custo, pouco peso, menor espaço de instalação e razoável características de vazão.

Para temperaturas e pressões moderadas, a válvula borboleta com corpo internamente revestido oferece ainda uma vedação estanque.

Da mesma forma que foi feita na válvula globo, a análise do desempenho da força do fluído sobre o disco da válvula borboleta também será feita.

Quando a válvula está fechada ou completamente aberta (figura 8.19a), as forças originárias da pressão do fluído são balanceadas em ambos os lados e, portanto, não há resultante de força torsora para nenhum lado.

Figura 8.19 – Resistência ao fluído na válvula borboleta: a) Quando totalmente aberta b) Quando parcialmente aberta Quando, porém, a válvula está parcialmente aberta como mostra a figura 8.19b, não

existe mais tal equilíbrio, surgindo uma força resultante, que tende fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluído. Pode-se notar pela figura 8.19b, que a resultante das forças atuantes desde a primeira borda até o centro do disco, é maior que a resultante das forças agindo do centro do disco até a segunda borda.

Essa desigualdade de força produz um momento torsor que tende fechar a válvula, e é esse momento torsor que limita a pressão diferencial de operação da válvula em diferentes graus de abertura, já que para cada ângulo de abertura teremos uma força torsora diferente e portanto um momento torsor diferente.

Do lado do disco á jusante temos a formação de forças que aumentam conforme a velocidade do fluxo.

A válvula de controle tipo borboleta é fabricada em diâmetros de 2” até 60”, sendo até 24” com corpo tipo “wafer” e de 30” até 60” com corpo flangeado.

Possuindo um corpo cujo formato lhe possibilita a utilização de revestimento interno com elastômeros, a válvula borboleta encontra uma ampla faixa de aplicações, mesmo em fluídos corrosivos, tornando-se para tais aplicações uma solução bastante econômica.

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Em função do tipo de assentamento podemos classificar as válvulas borboleta da seguinte forma:

Válvula borboleta com corpo revestido internamente e Assento tipo composto, ou seja, metal-elastômero, conforme mostra a figura 8.20a. É utilizada em aplicações, onde a vedação estanque seja uma necessidade, ou ainda em aplicações com fluídos corrosivos, através da seleção de um elastômero quimicamente inerte ao fluído, evitando-se assim, o encarecimento da válvula.

Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo composto, conforme mostram as figuras 8.20b e 8.20c. É normalmente utilizada em aplicações com fluídos auxiliares e à baixa temperatura, tais como água e ar, por exemplo.

• Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo metal-metal, conforme mostra a figura 8.20d. É utilizada em aplicações onde a temperatura do fluído não permite o uso de algum elastômero para possibilitar a vedação.

Figura 8.20 – Tipos de assentamento das válvula borboletas

8.1.4.2. Válvula de Controle Tipo Esfera

A utilização da válvula de esfera em controle é bastante recente, tendo nos últimos anos crescido a sua utilização, face a um aprimoramento dos desenhos para a sua adaptação ao controle de processos e o surgimento de diversos materiais elastômeros e fluorocarbonetos, em particular o Teflon.

Inicialmente a válvula de controle tipo esfera encontrou a sua principal aplicação na indústria de papel e celulose, face ás características fibrosas de determinados fluídos nesse tipo de processo industrial. Porém a sua utilização tem apresentado uma crescente introdução em outros tipos de processo, tanto assim que é recomendada para trabalhar com líquidos viscosos, corrosivos e abrasivos além de gases e vapores.

A válvula esfera é constituída por um corpo em cujo interior aloja uma esfera oca (daí o seu nome) que atua como obturador, permitindo uma passagem bastante livre.

Devido ao seu sistema de assentamento, proporciona uma vedação estanque, constituindo-se numa das poucas válvulas de controle que além de possuir ótimas condições de desempenho da sua principal função, (isto é, prover uma adequada ação de

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controle modulado), permite, ainda, uma total estanqueidade quando totalmente fechada. Na figura 8.21 vê-se um corpo típico de uma válvula esfera.

Figura 8.21 – Válvula tipo esfera

Como se pode notar, o corpo é bi-partido (para possibilitar a montagem dos internos),

sendo que a esfera gira em torno de dois anéis de teflon (construção padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede. Possibilita a passagem do fluído em qualquer direção sem problemas dinâmicos, e possue um curso total de 90º.

O seu castelo é integral ao corpo e até 6” é guiada superiormente e nas sedes; de 8” em diante a guia é superior e inferior e nas sedes, conforme pode-se verificar pela figura 8.22.

Figura 8.22 – Tipos de guia do obturador na válvula esfera

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A válvula de controle esfera com anéis sede de teflon é recomendada para aplicações com fluídos a temperaturas de até 200ºC. Neste tipo de construção apresenta um nível de vazamento quando totalmente fechada de algumas bolhas por minuto.

Em casos de temperaturas superiores especificam-se anéis sede de aço inoxidável tipo 316 com revestimento em Stellite. Com este tipo de assentamento metal-metal, a válvula esfera apresenta um vazamento permissível de até 0,01% da sua máxima capacidade. 8.1.4.3. Válvula de Controle Tipo obturador Rotativo Excêntrico

Este tipo de válvula é mostrado na figura 8.23. Idealizada originalmente para, basicamente, qualquer aplicação de processo, tem mostrado realmente vantagens em apenas alguns processos industriais, tais como papel e celulose e de forma genérica, trata- se de uma válvula recomendada para aplicações de utilidades ou auxiliares.

Figura 8.23 – Válvula tipo obturador rotativo excêntrico

Possui corpo com extremidades sem flanges (figura 8.23), classe 600lbs, sendo

fabricada em diâmetros de 1” até 12”. O Curso do obturador é de 50° em movimento excêntrico da parte esférica do obturador. Tal particularidade de movimento excêntrico possibilita-lhe uma redução do torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluído entrando na válvula em qualquer sentido.

Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0.01% da sua máxima capacidade de fluxo. Possui castelo tipo integral que lhe permite operar uma faixa de temperatura de –196°C á 400ºC com gaxetas de teflon puro.

Em contraste com os outros tipos de válvulas, nas quais há quase que uma total compatibilidade de atuadores, este tipo de válvula requer a utilização de um atuador de conceituação diferente, como será comentado mais adiante.

O obturador possue guia duplo possibilitando, desta forma, uma resistência menor á passagem de fluxo do que a apresentada em outros tipos de válvulas de desenho semelhante.

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8.2. ATUADORES PARA VÁLVULAS DE CONTROLE

8.2.1. Introdução

O atuador constitui-se no elemento responsável em proporcionar a necessária força motriz ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle ele, quando corretamente selecionado, deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de processo.

O atuador em si é um dispositivo que em resposta ao sinal enviado pelo controlador, produz a força motriz necessária para movimentar o elemento vedante da válvula de controle.

Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em aplicações de controle modulado, classifica-se em cinco tipos principais:

• Pneumático à mola ou diafragma; • Pneumático a pistão; • Elétrico; • Elétrico-hidraúlico; • Hidráulico

Um fator importante que deve ser mencionado, antes de iniciar a análise detalhada dos diversos tipos de atuadores, é que o atuador selecionado deve ser compatível com o sinal de saída do controlador. Um exemplo claro disso, é o caso da instrumentação eletrônica utilizada hoje em dia na maioria dos sistemas de controle de processo. O sinal de saída do controlador é normalmente 4 - 20mA, sinal este que não é compatível, por exemplo, com os atuadores pneumáticos. Há, então, necessidade da conversão do sinal de elétrico para pneumático, caso seja utilizado o atuador pneumático, como acontece na grande maioria das aplicações. 8.2.2. Atuador Pneumático Tipo Mola e Diafragma

Este tipo de atuador utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola. O diafragma é alojado entre dois tampos, formando duas câmaras, uma das quais totalmente estanque, por onde entra o sinal da pressão de carga. A força motriz é obtida pelo produto da pressão de carga, que é o sinal proveniente do controlador ou do posicionador, pela área útil do diafragma.

Define-se como pressão de carga ao sinal de ar proveniente do controlador ou do posicionador da válvula, e que efetivamente trabalha sobre o diafragma do atuador. A faixa de pressão de carga mais comumente utilizada é de 0-18psig no caso da instrumentação pneumática, enquanto que para esse sinal a faixa da mola do atuador é de 3 - 15psig.

Isso significa que, por exemplo, com 3psig sobre o diafragma a válvula mantêm-se totalmente aberta; a 9psig ela está exatamente na metade do seu curso e a 15psig está totalmente fechada. Os 3psig restantes, são utilizados para a produção da força de assentamento requerida.

Outras faixas comuns de pressão de carga são 0 - 27, 0 - 30 e 0 - 35psig. O atuador mola e diafragma é disponível em dois tipos. Um deles, denominado de ação direta (figura 8.24a), empurra a haste para abaixo conforme aumenta a pressão de carga sobre o diafragma, enquanto que a mola força a haste para cima. O outro, denominado de ação inversa (figura 8.24b), com o aumento da pressão de carga, puxa a haste para cima, enquanto que a mola empurra-a para baixo.

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Figura 8.24 – Atuadores pneumáticos tipo mola e diafragma

A escolha entre esses dois tipos de construção depende de qual a posição de

segurança que o processo exige em caso de falha ou falta de energia de suprimento. Assim numa válvula globo convencional com o obturador entrando por cima e utilizando-se de um atuador de ação direta, em caso de falha no sistema de suprimento de ar a válvula abre, enquanto que no caso tivesse sido utilizado um atuador inverso, a válvula fecharia.

O tamanho do atuador tipo mola e diafragma é definido em função do diâmetro do diafragma. Quanto maior ele for, maior será a força produzida, independente do sinal de pressão de carga.

Este tipo de atuador é o mais amplamente utilizado para atuar as válvulas de controle, face a inúmeras vantagens e poucas desvantagens.

O amplo sucesso deste atuador, talvez seja pelo fato de até hoje não ter sido desenvolvido um outro tipo de atuador mais versátil, confiável e econômico. Não requer o uso obrigatório de posicionador para operar em sistema de controle modulado. O posicionador consiste de um dispositivo que ajusta o atuador e a haste da válvula a uma determinada posição em função do sinal de pressão de carga. A sua principal desvantagem é a da limitação da força de atuação, pois devido ao diafragma, os níveis de pressão de carga não podem exceder 50 ou 60psig, o que de fato limita a sua aplicação em determinados tipos de válvulas que exigem uma elevada força de atuação como é o caso das válvulas rotativas, ou ainda em casos de pressões extremamente altas mesmo se tratando de válvulas de deslocamento linear. Nesses casos o atuador pneumático à mola e diafragma deixa de ser uma escolha conveniente, podendo-se tornar excessivamente onerosa a sua utilização em tamanhos superdimensionados.

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8.2.3. Atuador Pneumático Tipo Pistão

O atuador pneumático tipo pistão, embora não muito utilizado nas válvulas de deslocamento linear em relação ao tipo á mola e diafragma, tem apresentado uma crescente tendência de uso junto às válvulas tipo rotativas. Apresenta como principal vantagem em relação ao anterior, uma capacidade de operação em níveis superiores de pressão de carga (e, portanto, uma produção de maior força de atuação), uma maior capacidade e ainda uma maior velocidade de resposta.

O atuador pneumático tipo pistão, substitui o uso do diafragma flexível por um pistão metálico, fato esse que lhe possibilita operar em níveis de pressão de carga superiores.

São dois tipos básicos de atuadores a pistão, dependendo do tipo de válvula que irá operar. Um, conforme mostra a figura 8.25a, destina-se á utilização em válvulas de deslocamento linear como a globo, enquanto que na figura 8.25b vê-se o tipo utilizado para acionar válvulas de deslocamento rotativo, como a borboleta e esfera.

Figura 8.25 – Atuadores pneumáticos tipo pistão As principais desvantagens deste atuador em relação ao à mola e diafragma, residem

na necessidade do uso do posicionador, caso a válvula seja utilizada em serviços de controle modulado e na ausência de recursos próprios para a obtenção da posição de segurança da válvula, em caso de falha de suprimento de energia. Neste tipo de atuador, ao contrário do anterior para se obter a posição de segurança por falha, necessita da adaptação de uma mola de retorno, ou então de um sistema auxiliar externo de armazenamento de energia.

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8.2.4. Atuador Elétrico

Os atuadores elétricos utilizados em alguns tipos de situações de processo, geralmente consistem de um motor elétrico com um conjunto de engrenagens, que lhe possibilitam a capacidade de uma elevada faixa de torque de saída.

Este tipo de atuador, mostrado esquematicamente na figura 8.26., embora não muito utilizado em controle, oferece amplas vantagens em instalações remotas onde nenhuma outra fonte de suprimento seja disponível. O atuador elétrico tanto pode ser utilizado para acionar válvulas de deslocamento linear quanto rotativas.

Figura 8.26 – Atuadores elétricos

As suas principais desvantagens residem no seu custo excessivo, lenta resposta e na

falta de posição de segurança em caso de falha de energia de suprimento. 8.2.5. Atuador Eletro-Hidráulico

Este tipo de atuador consiste de um atuador elétrico no qual uma bomba manda óleo de altas pressões para um pistão, o qual produz uma força de atuação de altíssimo valor. Este tipo de atuador pode ser operado com sinais elétricos de baixo nível, como os de saída dos instrumentos eletrônicos, ou seja, da ordem de 24 a 65 Volts DC e 1-5V, 4-20mA ou 10-50mA.

Figura 8.27 – Esquema de um atuador eletro-hidráulico

Na figura 8.27 vê-se, esquematicamente, o desenho deste tipo de atuador, no qual

uma bobina é sensibilizada quando sujeita a um sinal de corrente, produzindo um campo

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magnético, o que faz deslocar uma palheta, obstruindo mais ou menos um bocal através do qual escoa óleo a uma alta pressão, indo para o pistão onde produz-se uma elevada força de atuação que irá movimentar a válvula de controle.

O atuador eletro-hidráulico apresenta como os tipos precedentes, vantagens e desvantagens. As suas principais desvantagens, fato esse que tem limitado em muito a sua utilização, tem sido o seu custo excessivamente alto comparado ao conjunto pneumático à mola e diafragma, mais conversor eletro-pneumático necessário, para utilização compatível junto à instrumentação eletrônica. Além disso, devido ao fato de necessitar da alimentação de óleo para o pistão, este tipo de atuador requer uma fonte de pressão constante o que significa alimentação elétrica constante para bombear o óleo para o pistão. Não possui posição de segurança inerente, em caso de falha de energia. 8.2.6. Atuador Hodráulico

Os atuadores hidráulicos, assemelham-se bastante aos eletro-hidráulicos e como esses devem ser especificados somente em casos de altíssimas forças de atuação quando da impossibilidade da utilização de outros tipos de atuadores. No atuador hidráulico, uma central hidráulica bombeia fluído hidráulico ao pistão a uma pressão consideravelmente lata produzindo-se elevadíssimas forças de atuação. 8.2.7. Posição de Segurança por falha

Define-se posição de segurança por falha de energia de suprimento como sendo a posição que a válvula (ou qualquer outro elemento final de controle) deve assumir, fechada ou aberta, em caso de falha. A falha tanto pode ser motivada por falha mecânica do atuador como falha no sistema de distribuição de energia de suprimento.

A posição da válvula em caso de falha é uma consideração muito importante a qual não pode deixar de ser avaliada e especificada. As posições de segurança possíveis da válvula são: fechada e aberta.

A devida escolha de uma delas deve ser baseada em considerações de segurança do processo industrial. Duas generalizações são que em aplicações de aquecimento, a válvula deve fechar por falha, enquanto que em aplicações de resfriamento deva abrir. No caso de controle de nível estando a válvula de controle na entrada do tanque, posição de segurança recomendada seria fechada, e assim por diante.

Cabe ao usuário escolher corretamente qual a posição de segurança da válvula. Existem, entretanto, aplicações onde tanto uma posição quanto outra são igualmente seguras.

O tipo de posição de segurança por falha de uma válvula, pode ser obtido através de seleção da ação do atuador, ou ainda, no caso das válvulas globo convencionais, através da inversão da ação no próprio corpo. Ou seja, quando se utiliza uma válvula globo, como visto anteriormente, verificou-se que existia a possibilidade de inverter a ação da válvula no próprio corpo em função de montagem do obturador por cima ou por baixo. Face a isso, não há necessidade nesse tipo de válvula da utilização de atuador de ação inversa para se obter, por exemplo, a posição de segurança fechada por falha. Pode-se simplesmente utilizar um atuador de ação direta e inverter ação no próprio corpo.

Em outros tipos de válvulas, porém com a globo 3 vias, globo gaiola, diafragma e bi- partida, por exemplo, para se ter a ação inversa, obrigatoriamente é necessário a utilização do atuador inverso, o que produziria a posição de segurança fechada, enquanto que utilizando-se do atuador de ação direta, a válvula abriria em caso de falha.

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Na figura 8.28., vê-se, esquematicamente, as diversas possíveis combinações de montagens atuador-corpo para diversas válvulas e as suas respectivas posições de segurança por falha.

Figura 8.28 – Posições de segurança por falha em função de diversas

combinações entre atuador e obturador

No caso dos atuadores, como por exemplo o tipo pistão pneumático, que não possuem de forma integral ou inerente meios de possibilitar uma posição de segurança em caso de falha, assumem uma posição estacionária permanecendo o pistão na posição que estava quando da falha. A posição de segurança somente poderá ser obtida através de rede de retorno, ou ainda através da utilização de uma mola de retorno, ou ainda através da utilização de um sistema de armazenamento de energia externo conforme mostra a figura 8.29 onde se vê o esquema do sistema de segurança auxiliar em caso de falha. Nele um reservatório de ar comprimido envia ar através da válvula solenóide de 3 vias, fazendo operar o pistão em caráter de emergência para a posição predeterminada de segurança.

Figura 8.29 – Sistema de segurança auxiliar em caso de falha

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8.3. ACESSÓRIOS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

8.3.1. Introdução

Aqui serão descritos os principais e mais comuns acessórios de uma válvula de controle. Como acessórios pode-se definir, determinados dispositivos que se utilizam na válvula para obter determinadas adaptações com o sistema de controle ou sofisticações quanto á operação da controlabilidade.

Os principais tipos de acessórios utilizados são os pocisionadores, válvulas solenóides, reguladores de ar, transdutores eletropneumáticos, volantes auxiliares manuais, etc.

Dentre todos, é sem dúvida alguma o posicionador o mais comumente utilizado, sendo que em alguns tipos de válvulas, realmente deixa de ser considerado como acessório passando a ser parte integrante da própria válvula. O posicionador pode ser pneumático ou eletropneumático. 8.3.2. Posicionador Pneumático

Define-se como posicionador, o dispositivo que transmite pressão de carga para o atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle.

Na figura 8.30 vê-se um posicionador pneumático montado numa válvula.

Figura 8.30 – Posicionador pneumático montado numa válvula de controle

Um dos maiores enganos é o de julgar, precipitadamente, que uma válvula de

controle com posicionador venha a desempenhar a sua função de melhor forma. Isto pode, talvez, acontecer porém a afirmação é duvidosa. A sua utilização nas válvulas, que não precisam obrigatoriamente de seu uso, deve ser criteriosa, pois às vezes o controle torna-se mais estável e com melhor desempenho sem a utilização do posicionador na válvula. Isto se deve ao fato de que, sendo o posicionador um elemento que contribui com uma constante de tempo adicional à malha de controle, torna-se um pouco mais difícil o ajuste global para um desempenho dinamicamente estável. Um posicionador opera

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adequadamente quando o seu tempo de resposta junto com a válvula é muito mais rápido que o do processo. 8.3.2.1. Princípio de Funcionamento do Posicionador Pneumático

A análise de como funciona um posicionador pneumático pode ser feita com o auxílio do esquema da figura 8.31.

Na figura 8.31a, observa-se uma válvula que é operada diretamente por um controlador.

Figura 8.31 – Esquema de uma válvula operando: a) Sem posicionador b) Com posicionador

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O sinal de saída típico de um controlador pneumático varia de um mínimo de 0psig até um máximo de 20psig. A faixa de mola mais comum nas válvulas opera de 3 a 15psig. São necessários, portanto, 15psig para comprimir a mola da válvula. A pressão de ar excedente a esses 15psig é utilizada para fechar a válvula contra a pressão do fluído à montante.

Na figura 8.31b vê-se, esquematicamente, a mesma válvula, porém, operada diretamente por um posicionador intercalado entre o controlador e a válvula. O sinal de saída do controlador, neste caso, vai para a entrada do posicionador ao invés de ir para a válvula como nos esquema da figura 8.31a. O posicionador então compara o sinal que recebe do controlador com a posição da haste da válvula através do seu braço de realimentação. Se a haste não está corretamente posicionada, então ele manda para o atuador mais ar (ou retira mais ar) até que acuse a correta posição da haste. Um acompanhamento de forma mais detalhada do seu funcionamento pode ser feito através do esquema da figura 8.32.

Figura 8.32 – Esquema do princípio de funcionamento do posicionador pneumático

Ao aumentar o sinal de saída do controlador entrando no posicionador, atua-se sobre

um fole, expandindo-o e fazendo com que a palheta obstrua ainda mais o bocal. Conseqüentemente o aumento da pressão no bocal faz deslocar o diafragma do relê, abrindo a válvula interna de alimentação e desta forma faz com que a pressão sobre o diafragma do atuador da válvula aumente, e este mova a sua haste para baixo. O posicionamento, da haste é verificado por meio de um excêntrico que envia a informação correta da posição da haste à palheta, fazendo-a afastar-se do bocal. A pressão no bocal diminui e a válvula de alimentação do conjunto do relê fecha para evitar qualquer aumento posterior na pressão de saída. O posicionador está outra vez em equilíbrio, porém, a uma pressão de instrumento (pressão de saída do controlador) maior e uma nova posição da haste do atuador. Caso a pressão de saída do controlador diminua ocorre o mesmo processo de forma inversa.

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8.3.2.2. Aplicações Recomendadas para a Utilização do Posicionador

São, basicamente, os seguintes motivos da necessidade da utilização de um posicionador numa válvula de controle.

Para compensar a força gerada pelo atrito: Nas aplicações em processos de alta pressão ou aplicações outras onde a gaxeta esteja bastante apertada para evitar vazamentos, há o surgimento de um atrito considerável contra a haste, produzindo-se uma histerese e tempo morto maior que o limite normalmente aceito. Nesse caso, aconselha-se a utilização de um posicionador para enviar maior volume de ar, compensando o atraso na resposta da válvula devido ás excessivas forças de atrito nas gaxetas.

Para aumentar a força de assentamento nas válvulas tipo sede simples: Uma aplicação comum é a de utilização de um posicionador, com pressão de alimentação de 35psig, numa válvula tipo sede simples. Se usarmos uma mola com faixa 3- 15psig, os primeiros 15psig enviados pelo posicionador serão suficientes para comprimir a mola. Os restantes 20psig, são disponíveis para produzir uma maior força de assentamento do obturador contra a sede, vencendo a força estática de desequilíbrio do fluído, atuando contra o obturador com posição totalmente fechada.

Para aumentar a velocidade de resposta da válvula: Se uma válvula de controle for operada diretamente por um controlador pneumático, a velocidade de operação da válvula depende de: a) distância entre controlador à válvula; b) volume do atuador e, c) capacidade do relê do controlador. Ao se utilizar um posicionador na válvula, o sinal do controlador indo diretamente ao posicionador, e este não requer um volume de ar muito grande, evita-se o transporte de grandes quantidades de ar entre o controlador e o posicionador. Isso faz aumentar a velocidade de resposta da válvula. Geralmente, o relê piloto do posicionador possui uma área de passagem maior que a do controlador e, portanto, o ar do posicionador para a válvula desloca-se mais rapidamente e em maior volume obtendo-se, assim, também, maior velocidade na resposta da válvula.

Para permitir uma operação de faixa dividida (“splitrange”): Às vezes é desejável operar uma válvula de controle, utilizando-se apenas de uma parte da faixa do sinal de saída do controlador. Isto pode ser realizado se especificarmos um posicionador para esta utilização particular. Um arranjo comum é o de ter uma válvula e um posicionador operando sobre 3 a 9psig de sinal de saída do controlador, enquanto que outra válvula e posicionador opera sobre 9 a 15psig de saída do mesmo controlador.

Para inverter a ação da válvula: Um posicionador cuja pressão de ar de saída aumenta conforme aumenta o sinal de entrada, é denominado de posicionador de ação direta. Um posicionador cujo sinal de saída diminui conforme aumenta o sinal de entrada, é denominado de posicionador de ação inversa. A mudança da ação do posicionador é facilmente realizado no próprio campo.

Para modificar a característica de vazão da válvula: A maioria dos posicionadores são lineares, isto é, eles mudam a posição da haste da válvula linearmente em relação à pressão de saída do controlador. Contudo, alguns posicionadores possuem meios, geralmente um excêntrico, de mudar essa relação linear, e portanto, alteram a característica de vazão da válvula, como também, o seu ganho que são afetados pelo formato do excêntrico.

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Para aplicações de banda larga proporcional: Quando a válvula deve responder a variações muito pequenas na pressão de ar (menos do que 0,25psig), é recomendada a utilização de um posicionador.

Natureza do meio fluído: Se o fluído do processo tende a grudar ou aglomerar-se nas partes da válvula de controle provocando um aumento do atrito entre as partes móveis, o uso do posicionador é recomendado para proporcionar força adicional necessária para vencer esses atritos.

Um posicionador, contudo, não pode corrigir um mau desempenho, quando: • A válvula de controle é super ou subdimensionada;

• O controlador possue uma excessiva banda morta e histerese; • A resposta dinâmica do sistema completo de um controle é muito lenta para satisfazer os desejados requisitos do processo que está sendo controlado.

8.3.3. Posicionador Eletro-Pneumático

De função similar ao posicionador pneumático, este posicionador diferencia-se do anterior pelo fato de aceitar um sinal de entrada elétrico, normalmente analógico. 8.3.3.1. Princípio de Funcionamento do Posicionador Eletro-pneumático

Na figura 8.33 mostra-se esquematicamente o seu principio de funcionamento.

Figura 8.33 – Esquema do princípio de funcionamento do posicionador

eletro-pneumático Uma força eletromotriz é produzida quando um sinal elétrico é introduzido na

bobina do motor. Esta força tem que ser balanceada por uma mola que é defletida pelo movimento da haste da válvula. Um aumento do sinal, temporariamente, inclina uma palheta que obstrui um bocal de ar, resultando daí, um aumento no sinal de ar, o qual, por sua vez, depois de ser amplificado num relê, move a haste do atuador até a posição desejada. A variação na posição da haste faz aumentar a tensão na mola de realimentação até que a força eletromotriz de bobina seja balanceada.

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8.3.4. Válvulas Solenóides

A sua utilização principal é em aplicações de controle biestável, pilotando uma válvula de controle pneumático, conforme pode ser visto através do esquema mostrado na figura 8.34.

Figura 8.34 – Esquema da utilização da válvula solenóide de 3 vias para atuar numa

válvula de controle pneumática, em controle biestável

A válvula solenóide também pode ser instalada em aplicações de controle modulado, para serviço de emergência, como podemos acompanhar pela figura 8.35.

Figura 8.35 - Esquema da utilização da válvula solenóide de 3 vias numa aplicação de

emergência, em controle modulado

Neste tipo de aplicação, uma válvula solenóide de 3 vias é instalada entre o controlador (ou posicionador) e a válvula de controle, de forma que, normalmente, a saída de escape esteja fechada (isto é, estando a válvula solenóide desenergizada, a passagem do ar é direta para a válvula de controle). Em casos de necessidade de bloquear a válvula de controle, por medida de segurança, um sinal elétrico pode ser adicionado remotamente, energizando, instantaneamente, a válvula solenóide e abrindo o escape. Fica assim, a válvula de controle sem ar de atuação e devido á força da mola, fecha ou abre rapidamente.

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8.3.5. CHAVES InDICADORAS DE POSIÇÃO

São utilizadas para indicação remota da posição da haste da válvula. Essa indicação fornecida pela chave indicadora é do tipo de duas posições, ou seja, possibilita a indicação, por exemplo, de válvula fechada e de válvula aberta. São montadas diretamente na torre do atuador (caso seja atuador do tipo de deslocamento linear) ou no adaptador (caso seja atuador tipo rotativo). 8.3.6. Válvula Fixadora de Ar

È uma válvula auxiliar utilizada em aplicações nas quais seja necessário que a válvula mantenha a sua posição caso haja uma queda de pressão de ar de suprimento central da planta. 8.3.7. Transmissor de Posição

O transmissor pneumático de posição é um dispositivo para indicação continua da posição da haste da válvula. É geralmente instalado sobre a torre do atuador, de forma similar ao posicionador. Na realidade o transmissor de posição é uma adaptação do posicionador. Através do braço de realimentação, ele sente a posição da haste da válvula e transmite um sinal pneumático proporcional de 3-15psig a um indicador instalado em lugar remoto. 8.3.8. Transdutores Eletro-pneumáticos

Estes dispositivos convertem o sinal elétrico da saída de um controlador eletrônico, em sinal pneumático compatível com o atuador pneumático da válvula de controle. Este transdutores tanto podem ser corrente para pressão (I/P), ou voltagem para pressão (E/P). O sinal de entrada de corrente é aplicado a um eletroímã. O campo magnético criado e a corrente produzem uma força que desloca a palheta alterando a posição relativa entre palheta e o bocal. Isso faz aumentar ou diminuir a pressão no bocal, aumentando ou diminuindo o sinal de pressão para a válvula de controle. 8.3.9. Conjunto Filtro-Regulador de Ar

Talvez um dos acessórios mais comuns seja o filtro-regulador de ar (figura 8.36), que é uma válvula reguladora de pressão de ar, do tipo auto-operada, de pequenas dimensões e alta capacidade, com filtro de ar integral.

Figura 8.36 – Conjunto filtro e regulador de ar

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A sua máxima capacidade de ar é ao redor de 20SCFM. A sua função é a de fornecer ar limpo, à uma pressão constante compatível com os limites de alimentação dos posicionadores, “booster´s”, etc. 8.3.10. Volantes Manuais

Trata-se de um acessório amplamente utilizado na linha de válvulas de deslocamento linear da haste. Na maioria das válvulas rotativas, o volante já faz parte da válvula não sendo considerado como acessório adicional propriamente dito. O volante manual é utilizado para possibilitar uma operação manual de válvula de controle, no caso de falta de ar.

Existem dois tipos de volantes, conforme a sua instalação na válvula: de topo, conforme mostrado na figura 8.37, consiste na adaptação de um volante no tampo superior do diafragma.

Figura 8.37 – Volante manual de topo

O volante manual tipo montagem lateral, conforme ilustrado pela figura 8.38, é

adaptado à torre do atuador agindo diretamente sobre a haste da válvula. Costuma-se, normalmente, a utilizar este tipo de montagem nas válvulas de grande diâmetro, em função da sua altura o que tornaria bastante difícil a operação manual, caso a válvula tivesse volante de montagem tipo de topo.

Figura 8.38 – Volante manual lateral

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8.4. CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS DE CONTROLE

O desenvolvimento de válvulas com características especiais de vazão tem sido comandado, até hoje, por considerações práticas. Estas características dividem-se em dois tipos básicos:

• Características de vazão obtidas matematicamente, que incluem a característica linear e a de igual percentagem;

• Características de vazão resultantes de várias construções básicas, que incluem a característica parabólica modificada e a de abertura rápida. Outros sistemas (válvulas borboletas, Saunders, de três vias, gavetas, etc.) encaixam-se nesta classificação.

8.4.1. Característica Linear

A característica linear é mostrada na figura 8.39. A relação entre a abertura da válvula e a vazão, com queda de pressão constante, é plotada como uma linha reta. A expressão matemática é:

Onde

Q = vazão, com queda de pressão constante; K = abertura da válvula;

Y = constante.

Figura 8.39 – Vazão em função do curso linear da válvula

8.4.2. Característica de Igual Porcentagem

Esta característica é mais complexa para definir matematicamente. Olhando a documentação dos fornecedores, encontramos uma série de curvas de igual porcentagem que diferem pelo valor da vazão inicial (figura 8.40). Devemos entender como vazão inicial àquela que é produzida quando o obturador se separa da sede. Esta vazão não é controlável e não devemos confundi-la com o vazamento existente quando a válvula está fechada.

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Figura 8.40 – Características de vazão tipo igual porcentagem

A propriedade comum de todas estas curvas é que iguais incrementos no movimento

da haste produzem mudanças de igual porcentagem na vazão a uma queda de pressão constante, baseada na vazão que existia antes da mudança efetuar-se. Portanto, conclui-se que a válvula deixa passar a mesma percentagem de vazão para uma mesma percentagem de abertura.

A expressão matemática da característica de igual porcentagem raramente é usada, porque esta característica torna-se uma linha reta quando plotada em coordenadas semi- logarítmicas.

8.4.3. Característica Parabólica Modificada Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre linear e a igual porcentagem, conforme pode ser visto pela figura 8.41. Não possui uma definição exata pelo fato de ser uma característica modificada.

Figura 8.41 – Característica de vazão tipo parabólica modificada

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8.4.4. Característica de Abertura Rápida

Trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso. Este tipo de válvula possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total. Não é definível matematicamente e sua curva é mostrada na figura 8.42.

Figura 8.42 - Característica de vazão tipo abertura rápida

8.4.5. Características de Válvulas Borboletas

A válvula borboleta geralmente é usada em sistemas de baixa pressão, tal que a perda de carga através da válvula na posição aberta torna-se pequena com relação à queda de pressão no sistema. Sob tais condições, a característica inerente é severamente alterada. A característica é mostrada como uma plotagem de área projetada exposta quando o disco gira.

Muitas válvulas são feitas com fechamento em um ângulo de 12,5° e a abertura total a 70° a partir de uma perpendicular à tubulação. Estas duas mudanças fazem com que a característica seja aproximadamente linear.

8.4.6. Coeficiente de Vazão – Cv

O uso do coeficiente de vazão, Cv, introduzido em 1944, foi rapidamente aceito como sendo o índice universal de capacidade de uma válvula. Este índice provou-se tão útil, que hoje em dia praticamente todas as discussões envolvendo projetos e características de uma válvula, ou de comportamento de fluxo, utilizam este coeficiente.

Por definição, o coeficiente de vazão, Cv, "é a quantidade de água a 20°C medida em litros, que passa por uma determinada restrição em 1 minuto, com uma perda de carga de 4,9 g/cm2". Por exemplo, uma válvula de controle com um coeficiente Cv igual a 12, tem uma área efetiva de passagem quando totalmente aberta, que permite o escoamento de 12 l/min de água com uma pressão diferencial de 4,9 g/cm2. Basicamente, é um índice de capacidade com o qual o tamanho requerido é capaz de estimar rápida e precisamente o tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos.

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8.5. OUTROS TIPOS DE ATUADORES

8.5.1. Válvulas Reguladoras de Pressão Auto-Operadas

O que são Válvulas Auto-Operadas? São válvulas que, através da utilização de princípios mecânicos e pneumáticos,

reduzem a pressão de entrada da válvula (variável ou não) para uma pressão de saída constante, previamente ajustada, dentro de determinadas faixas de vazão.

8.5.1.1. Princípio Básico de Funcionamento

São baseadas no princípio do equilíbrio de forças. A pressão a ser controlada é transmitida à válvula auto-operada através de uma tomada instalada na tubulação à jusante. Em alguns tipos de válvulas, esta transmissão da pressão a ser controlada é feita internamente no próprio corpo da válvula (figura 8.43).

Desta forma, podemos ver a existência de duas formas de transmissão da pressão a ser controlada: válvulas com tomada sensora externa e válvulas com tomada sensora interna (pilotados e auto-operados).

Figura 8.43 – Válvula auto-operada

A pressão a ser controlada é transmitida pela tomada sensora à parte inferior do

atuador da válvula, atuando na parte inferior do diafragma sendo comparada com a força que a mola de regulagem (colocada na parte superior do atuador) exerce na parte superior do diafragma.

Quando a pressão à jusante da válvula exercer uma força na parte inferior do diafragma superior à exercida pela mola de regulagem, a válvula tende a fechar, ocorrendo o processo inverso quando a força exercida pela mola de regulagem for superior à exercida pela pressão à jusante atuando na parte inferior do diafragma.

O ajuste da pressão a ser controlada é feito através do parafuso seletor de pressão, que regula a tensão da mola.

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8.5.1.2. Outras Versões de Válvulas Reguladoras Válvula Reguladora de Pressão à Montante

Também denominadas válvulas de alívio de pressão, estas válvulas têm a função de manter constante a pressão a montante. Baseiam-se no mesmo princípio de funcionamento das válvulas reguladoras de pressão tradicionais, sendo que, nestas válvulas, a tomada sensora transmite a pressão a montante a ser controlada até o atuador da válvula. Quando a pressão a montante da válvula exercer uma força superior à exercida pela mola de regulagem, a válvula tende a abrir, ocorrendo o processo inverso quando a pressão a montante for inferior. Podemos, então, observar que este tipo de válvula é do tipo fechada, ou seja, necessita de pressão para promover a sua abertura.

Válvulas Reguladoras tipo "zero"

São válvulas reguladoras que controlam a pressão à jusante próxima da pressão atmosférica. É uma válvula normalmente fechada, devido à existência de uma mola de fechamento sendo sua abertura promovida quando da existência de vácuo à jusante da válvula, que atua sobre a parte inferior do diafragma principal, garantindo que a pressão à jusante da válvula se estabilize em valores próximos da pressão atmosférica.

Válvulas Reguladoras de Pressão Piloto Operada

O funcionamento destas válvulas é similar ao das válvulas reguladoras de pressão tradicionais, porém, ao invés de se utilizar uma mola helicoidal de regulagem, utiliza-se uma câmara pressurizada, conforme descrito abaixo.

A pressão a ser controlada é transmitida à parte inferior do atuador através da tomada sensora (Interna ou Externa), atuando na parte inferior do diafragma. Esta pressão exercida sob o diafragma gera uma força que deverá ser comparada com a força exercida pela pressão de pilotagem (seja esta através de suprimento externo ou mesmo pelo próprio fluido do processo) atuando na parte superior do diafragma.

Quando a pressão à jusante da válvula exerce uma força na parte inferior do diafragma, superior à exercida pela pressão de pilotagem (mola de fluído de processo), a válvula tende a fechar, ocorrendo o processo inverso quando a força exercida pela pressão de pilotagem for superior à exercida pela pressão à jusante atuando sob o diafragma. O ajuste da pressão a ser controlada é feito através do regulador piloto que regula a pressão de pilotagem ("tensão da mola do fluído").

Estas versões de válvulas pilotadas podem ser dotadas ou não de molas helicoidais de fechamento, que, como o próprio nome indica, promovem o fechamento da válvula no caso de ocorrer um rompimento do diafragma. A figura 8.44 mostra tipos de válvula reguladoras piloto operadas.

Figura 8.44 – Válvulas reguladoras de pressão piloto operadas

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8.5.2. Válvulas de Segurança

São válvulas destinadas a aliviar excesso de pressão nos mais variados processos industriais e, em outros casos, a bloquear um vazamento para o meio. São válvulas de acionamento rápido para fechamento ou abertura, visando proteger o processo ou o meio onde estaria pondo em risco os operadores ou mesmo uma comunidade.

Em alguns casos, quando uma válvula desta é acionada e o processo volta a situação de normalidade, a válvula volta a assumir sua situação inicial, visando proteger o sistema para o qual ela foi dimensionada. Em outros sistemas mais críticos, a válvula retém as situações de segurança, sendo necessária a interferência do operador para rearmá-la, a fim de proteger novamente o sistema para o qual ela foi dimensionada. Os seus mecanismos são enquadrados nos descritos acima, principalmente nas válvulas auto-operadas. A figura 8.45 ilustra detalhes de algumas configurações de válvulas de segurança.

Figura 8.45 – Válvulas de segurança 8.5.3. Atuadores de Console

São unidades pneumáticas de força que fornecem controle remoto de regulação através de articulações mecânicas. Estes atuadores (figura 8.46) de pistão respondem proporcionalmente ao sinal de 3 a 15psig vindo dos conversores E/P. Estes atuadores são equipados para rápida comutação de automático para operação manual direta.

Figura 8.46 – Exemplos de atuadores de consoleAs figuras 8.47 e 8.48 ilustram mais detalhes de atuadores de console.

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Figura 8.47 - Atuador dos Ventiladores Forçados e Induzidos

Figura 8.48 – Detalhes de construção

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9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS MOLLENKAMP, Robert A. Controle Automático de Processos. Ebras Editora Brasileira, São Paulo - SP, 1988. SILVA, Adieci V. Apostila de Instrumentação e Controle. Série Material Didático, SENAI, Florianópolis – SC, 2001. Apostila: Curso de Termometria. Centro de Treinamento da ECIL – Produtos e Sistemas de Medição e Controle, São Paulo – SP Apostila de Instrumentação. Curso de Operadores de Usinas Termelétricas – ELETROSUL, Florianópolis – SC, 1986. Manual de Treinamento de Válvulas de Controle. HITER – Indústria e Comércio de Controle Termo-Hidráulicos Ltada

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