SISTEMAS DE INSTRUMENTAÇÃO 1 ET74H

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1 SISTEMAS DE INSTRUMENTAÇÃO 1 ET74H Aula 2 Sensores de Proximidade e de Temperatura Prof. Vilmair E. Wirmond DAELT

2 Sensores de Proximidade São sensores que detectam a presença de um objeto sem contato direto Servem para substituir as chaves de contato, que possuem partes móveis e portanto menor vida útil. Exemplos de Chaves de Contato:

3 Maior Utilização: Linha de Montagem

4 Maior Utilização: Linha de Montagem

5 Sensor de Proximidade Indutivo Sem Objeto Com Objeto Condutor Oscilador Núcleo Espira Campo Magnético 5

6 Sensor de Proximidade Indutivo ALVO SENSOR Tensão Observada no Circuito Detector Off OSCILADOR ON Hysterises DETECTOR ON Off SAÍDA PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO

7 Sensor de Proximidade Indutivo

8 Sensor de Proximidade Indutivo Detecção de Objetos 8

9 Sensor Capacitivo Detecção de material dielétrico

10 Sensor de Proximidade Capacitivo SENSOR Circuito Oscilador Circuito Detector Saída Eletrodo Circuito Sensor

11 Sensor de Proximidade Capacitivo

12 Sensor de Proximidade Capacitivo Limite Superior Limite Inferior

13 Sensor de Proximidade Óptico (Through Beam) Sem Objeto Transmissor Receptor Com Objeto Transmissor Receptor

14 Sensor Through Beam

15 Sensor de Proximidade Óptico Sensor de Retro- Reflexão E S Sem Objeto E S Com Objeto Transmissor + Receptor Espelho

16 Sensor de Retro Reflexão

17 Sensor de Proximidade Óptico Sensor de Reflexão Difusa E S Sem Objeto E S Com Objeto Transmissor + Receptor Objeto

18 Sensor Difuso - Aplicações

19 Sensor de Ultra Som Pode obter a distância de Objetos pelo do tempo de reflexão do som.

20 Sensor de Ultra Som

21 Ligação Elétrica European Standard Brown 12 to 24vdc Blue 0vdc Black sensor output Older Color Configuration Red 12 to 24vdc Black 0vdc White sensor output

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24 Medição de Temperatura A Temperatura é uma das variáveis mais importante nos processos industriais. Qualquer substância tem as suas características físicoquímicas alteradas, de acordo com a variação da temperatura.

25 Medição de Temperatura

26 Termômetros à Dilatação de Líquidos

27 Termômetros à Dilatação de Líquidos Utilizados apenas para indicações locais, não permitem leitura remota e nem fornecem sinal para sistemas de controle. LÍQUIDO PONTO DE SOLIFIDIFICAÇÃO (ºC) PONTO DE EBULIÇÃO (ºC) FAIXA DE UTILIZAÇÃO (ºC) Mercúrio a 550 Álcool etílico a 70 Tolueno a 100

28 Termômetros à Dilatação de Sólidos Termômetro Bimetálico, baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais.

29 Termômetros à Dilatação de Sólidos Termômetro Bimetálico

30 Termômetros à Pressão de Gás Baseiam-se na lei de Charles e Gay-Lussac que diz: A pressão de um gás é proporcional e linear à temperatura, mantendo-se constante o volume do gás.

31 Termômetros à Pressão de Gás Construção: semelhante aos termômetros de líquidos com capilares metálicos, porém o bulbo é geralmente grande, a fim de obter maior força. São raramente utilizados em aplicações industriais. GÁS DE ENCHIMENTO TEMPERATURA CRÍTICA (ºC) FAIXA DE UTILIZAÇÃO (ºC) Nitrogênio (N 2 ) - 147,1-130 à 550 Hélio - 267,8-260 à 550 Dióxido de Carbono (CO 2 ) 31,1 30 à 550

32 Termômetros à Pressão de Gás Termômetro de Bulbo-Capilar

33 Termômetros à Pressão de Gás Termômetro de Bulbo-Capilar

34 Termômetros à Pressão de Gás Termômetro de Bulbo-Capilar Tipos de elementos sensores

35 Termômetros à Pressão de Gás Termômetro de Bulbo-Capilar

36 Termômetros à Pressão de Vapor Construção: é fisicamente idêntica a dos termômetros à pressão de gás, porém, o bulbo é relativamente pequeno.

37 Termômetros de Resistência (RTD)

38 Termômetros de Resistência (RTD) RTD (Resistance Thermal Detectors): Detectores de Temperatura a Resistência. Na indústria os mais comuns são platina, níquel e cobre. O sensor Pt-100: possui elemento de platina e resistência de 100Ω a 0ºC. É o mais empregado em todo o mundo, devido à sua estabilidade, repetitibilidade, exatidão e ampla faixa de operação.

39 Pares Termoelétricos (Termopares) Operam em função da diferença de temperatura (ΔT) presente entre a junta de referência e a junta de medição. São os sensores mais utilizados na indústria. Sua confiabilidade, baixo custo e padronização, aliadas à exatidão, estabilidade e repetibilidade satisfatórias, na maioria dos casos, justifica esta preferência. E também, abrangem uma grande faixa de temperatura.

40 Pares Termoelétricos (Termopares) A medição de temperatura com os termopares é baseada nos princípios: Efeito Seebeck, observado pelo físico alemão Thomas Johann Seebeck em Efeito Peltier, observado em 1834 por Jean Charles Athanase Peltier.

41 Pares Termoelétricos (Termopares) Efeito Seebeck Num circuito fechado formado por dois fios de metais diferentes, ocorre uma circulação de corrente enquanto existir uma diferença de temperatura entre as duas junções. A intensidade da corrente é proporcional à diferença de temperatura e à natureza dos metais utilizados.

42 Pares Termoelétricos (Termopares) O Efeito Peltier Dado um par termoelétrico com ambas as junções à mesma temperatura, se, mediante uma fonte externa, produz-se uma corrente no termopar, as temperaturas das junções variam em uma quantidade não inteiramente devido ao efeito joule.

43 Leis Fundamentais dos Circuitos Termoelétricos Lei do Circuito Homogêneo A força eletromotriz (f.e.m.) termal desenvolvida em um circuito termoelétrico formado por dois metais homogêneos, mas de naturezas diferentes, depende única e exclusivamente da diferença de temperatura entre as junções e de suas composições químicas, não sendo assim interferida pelo gradiente de temperatura e nem de sua distribuição ao longo dos fios.

44 Leis Fundamentais dos Circuitos Termoelétricos Lei dos Metais Intermediários Num circuito constituído por condutores de vários metais diferentes, a força termoeletromotriz total será zero (0) se todo o circuito estiver à mesma temperatura. Corta-se um dos fios e introduz-se um terceiro fio de outra natureza, a f.e.m. criada originalmente não é modificada, desde que as duas junções criadas pelo terceiro fio estejam à mesma temperatura.

45 Leis Fundamentais dos Circuitos Termoelétricos Lei da Temperatura Intermediária

46 Potência Termoelétrica A relação da f.e.m. termoelétrica com a temperatura, normalmente, não é linear, mas para algumas faixas de temperatura, pode ser considerada como se o fosse.

47 Tipos de Termopares

48 Tipos de Termopares

49 Tipos de Termopares FEM x Temperatura

50 Correção da Junta de Referência Se a temperatura ambiente for diferente do valor fixo, o instrumento indicará a temperatura com um erro. Para indicação correta é necessário uma compensação no ponto de junção ao instrumento.

51 Cabos de Compensação/Extensão Para criar extensões, os terminais do termopar poderão ser conectados a uma espécie de cabeçote e, a partir deste cabeçote são adaptados fios de compensação (praticamente com as mesmas características dos fios do termopar, porém mais baratos) até o instrumento. BLOCO DE LIGAÇÃO JUNTA DE REFERÊNCIA JUNTA DE MEDIDA TERMOPAR CABO DE EXTENSÃO GRADIENTE DE TEMPERATURA ) INSTRUMENTO INDICADOR OU CONTTROLADOR

52 Cabos de Compensação/Extensão Cabos de Extensão: São aqueles fabricados com o mesmo material do termopar devido ao seu baixo custo. Desse modo para os termopares tipo T, J, K e E são utilizados cabos do mesmo material para sua interligação com o instrumento receptor. Cabos de Compensação: Para os cabos dos termopares nobres (R, S e B) não seria viável economicamente a utilização de cabos de extensão. Assim, para tornar possível a utilização desses sensores, desenvolveu-se cabos de natureza diferente porém com a característica de produzirem a mesma curva de força eletromotriz desses termopares ou ainda, mesmo que não idênticas mas que se anulem.

53 Código de Cores para Fios e Cabos de Extensão e de Compensação

54 Erros de ligação usando fios de compensação CABEÇOTE CABO TIPO KX 38 C 1,530 mv 0,570 mv REGISTRADOR 24 C 0,960 mv TC TIPO K 20,735 mv + 20,735 mv + 0,570 mv + 0,960 mv + 22,265 mv 538 C ERRO = ' C 22,265 mv FORNO

55 Erros de ligação usando fios de cobre CABEÇOTE 38 C 1,530 mv TC TIPO K 20,735 mv CABO DE COBRE 0,00 mv + 20,735 mv + 0,000 mv + 0,960 mv REGISTRADOR 24 C 0,960 mv + 21,695 mv 524 C ERRO = - 14 C 538 C 22,265 mv FORNO

56 Erros de ligação com Inversão Simples CABEÇOTE CABO TIPO KX 38 C 1,530 mv 0,570 mv REGISTRADOR 24 C 0,960 mv TC TIPO K 20,735 mv - 20,735 mv + 0,570 mv + 0,960 mv - 19,205 mv 538 C 22,265 mv FORNO

57 Erros de ligação com Inversão Dupla CABEÇOTE CABO TIPO KX 38 C 1,530 mv 0,570 mv REGISTRADOR 24 C 0,960 mv TC TIPO K 20,735 mv + 20,735 mv - 0,570 mv + 0,960 mv + 21,125 mv 511 C ERRO = - 27 C 538 C 22,265 mv FORNO

58 Termômetros sem contato Fundamentos da Radiação A potência total do fluxo irradiado (para todos os comprimentos de onda) num hemisfério frontal, através de uma área unitária, para o caso de um corpo negro ideal, é proporcional à quarta potência (lei de Stefan-Boltzmann) da temperatura absoluta = Kelvin, e pode ser escrita: R = T 4 onde é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67032x10-8 W.m 2.K -4 ) e T é a temperatura em Kelvin.

59 Principais aplicações de termômetros sem contato O corpo está em movimento: Fornos rotativos de cal, cimento, incineração.

60 Principais aplicações de termômetros sem contato A temperatura é muito elevada (pirômetros)

61 Principais aplicações de termômetros sem contato Materiais quimicamente agressivos Necessidade de tempo de resposta pequeno Medição de temperatura em uma superfície viscosa e granular

62 Exemplos de Pirômetros Portáteis

63 Exemplos de Pirômetros Portáteis

64 Pirômetro não-portátil

65 Termovisor (Câmera Infravermelho)

66 Termovisor (Câmera Infravermelho)

67 Resumo Tipos Faixa de Medição, ºC Inexatidão Tempo de Resposta Dilatação de Líquidos -100 à 500 1% à 2% do F.E Regular Bimetal -60 à 420 1% à 2% do F.E Regular Termopares Faixa teórica Recomendada Padrão Especial Alguns ms T -270 à à 350 0,75% à 1,5% 0,4% à 0,8% E -270 à à 900 0,5% à 1% 0,4% à 0,8% J -210 à à 750 0,75% 0,4% K -270 à à ,75% 0,4% R -50 à à ,25% 0,45 S -50 à à ,25% 0,1% B 0 à à ,5% 0,25% Termoresistência Pt à à 650 0,1% do F.E Lenta Radiação ou óptico 0 à à % à 2% do F.E Excelente

68 Exercícios Cite os instrumentos de medição de temperatura que usam por princípio: dilatação de líquidos, dilatação de sólidos e pressão de gás. Qual o princípio de funcionamento de um termopar? O que é a compensação da junção fria de um termopar? Quais as opções para se ligar um termopar a um circuito sensor distante? Quais suas vantagens e desvantagens? Quais os casos nos quais pode ser necessário a medição com termômetros sem contato? Qual o princípio de funcionamento de um termômetro sem contato?