GRANDEZAS FÍSICAS, INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO E TESTE

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1 PCO PROGRAMA DE CERTIFICAÇÃO OPERACIONAL CST GRANDEZAS FÍSICAS, INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO E TESTE ELABORAÇÃO: DEZEMBRO/ 04

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3 CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão FDH - Departamento de Recursos Humanos FHD - Divisão de Desenvolvimento e Remuneração Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, 930, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP: Telefone: 0 XX (27) Fax: 0 XX (27)

4 Sumário 1. MULTÍMETRO PRINCÍPIOS BÁSICOS Galvanômetro MEDIDORES DE CORRENTE: AMPERÍMETROS Resistor Shunt ou de derivação MEDIDOR DE D.D.P: VOLTÍMETRO MEDIDA DE RESISTÊNCIA Ohmímetro série MEGÔMETRO EXEMPLOS DE MEGÔMETROS ELETRÔNICOS MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ESCALAS DE TEMPERATURA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE EFEITOS MECÂNICOS TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS TERMISTORES MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS COM TERMOPARES Fundamentos Teóricos Leis Termoelétricas ª Lei Termoelétrica ou Lei das Temperaturas Circuito de Termopar e Medição de f.e.m Potência Termoelétrica Termopares Comerciais Fios de compensação Circuitos Especiais Associação em Série Associação em Paralelo Termopar Diferencial Precisão dos Termopares Proteção dos Termopares Calibração - Padrão de Temperatura "Constante de Tempo" de um Termopar PIRÔMETRO PIRÔMETRO DE RADIAÇÃO INFRAVERMELHO (I.V.) Introdução A radiação do corpo negro Pirômetros de radiação TERMÓGRAFOS HIGRÔMETRO INTRODUÇÃO HIGRÔMETRO DE FIO DE CABELO HIGRÔMETRO DE BULBOS SECO E ÚMIDO MODELOS DE HIGRÔMETROS... 45

5 6. DENSÍMETRO INTRODUÇÃO RESUMO EXEMPLO DE DENSÍMETROS MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO PERIODICIDADE DAS MEDIÇÕES NÍVEIS DE ALARME ESTUDOS DE CASOS Desbalanceamento de massa Desalinhamento de acoplamento Vibrações causadas por defeito em rolamentos PAQUÍMETRO TIPOS DE PAQUÍMETROS TIPOS DE MEDIDAS FEITAS COM PAQUÍMETRO MICRÔMETROS ERROS DO PASSO DA ROSCA TIPOS DE MICRÔMETROS: MEDIDAS COM MICRÔMETROS Micrômetro digital FONTES DE ERROS CALIBRAÇÃO MEDIDORES DE NÍVEL SENSORES CAPACITIVOS SENSORES MECÂNICOS MEDIDORES DE FLUXO MEDIDOR DE FLUXO COM PRINCÍPIO DO PISTÃO EXCÊNTRICO MÉTODOS DE OBSTRUÇÃO DE FLUXO MEDIDORES DE FLUXO POR ARRASTE MEDIDOR DE FLUXO DO TIPO TURBINA MEDIDORES DE FLUXO BASEADOS EM EFEITO ULTRA-SÔNICO MEDIÇÃO DE PRESSÃO INTRODUÇÃO INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESSÃO Coluna de líquido Pressão que atua em área conhecida - medição da força resultante Medição de pressão a partir da medição de deformação, deslocamento OSCILOSCÓPIO INTRODUÇÃO OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO OSCILOSCÓPIO DIGITAL... 84

6 14. VERIFICADORES E CALIBRADORES TIPOS CONDIÇÕES DE USO CONSERVAÇÃO ANALISADORES DE ENERGIA INTRODUÇÃO TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕES DOS INTENS DE QUALIDADE TRANSITÓRIOS INTERRUPÇÕES E SAGS SOBRETENSÕES DESEQUILÍBRIOS DE TENSÕES DISTORÇÕES NA FORMA DE ONDA DISTORÇÕES HARMÔNICAS FLUTUAÇÕES OU OSCILAÇÕES DE TENSÃO VARIAÇÕES NA FREQÜÊNCIA DO SISTEMA ELÉTRICO ENCODER ENCODERS INCREMENTAIS ENCODRES ABSOLUTOS ESTETOSCÓPIO GRANDEZAS FÍSICAS/ QUADRO GERAL DE UNIDADES SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES OUTRAS UNIDADES As Unidades fora do SI Admitidas no QGU são de duas Espécies PRESCRIÇÕES GERAIS Grafia dos Nomes das Unidades Grafia dos Símbolos de Unidades Grafia dos Números Grandezes Expressas por Valores Relativos REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

7 7 1. MULTÍMETRO Este aparelho reúne os três medidores: Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro. Para selecionar o instrumento que se fará uso basta usar a chave rotativa seletora que se encontra no centro do aparelho. 1.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS Os instrumentos básicos mais usados em medidas elétricas têm como princípio o Galvanômetro. Abaixo descreveremos este instrumento básico para podermos ter a noção de sua importância para a eletricidade GALVANÔMETRO É um receptor ativo que tem por objetivo à comparação de intensidade de correntes elétricas. É um aparelho de medida que, por ter sua resistência elétrica interna muito pequena, não deve ser percorrido por elevadas intensidades de corrente, caso contrário poderá ter por conseqüência a provável queima de sua bobina interna, a não ser que lhe seja ligado em paralelo um resistor com valor apropriado. Conforme o modo como se acopla o resistor, em paralelo ou série, o galvanômetro pode medir intensidade de corrente ou diferenças de potencial. Para o galvanômetro são duas as principais características que devem ser levadas em conta: 1) Corrente de fundo de escala, (Igm) - é valor máximo de intensidade de corrente elétrica que provê o máximo de deflexão do ponteiro do instrumento. 2) Resistência do Galvanômetro (Rg) - é a resistência elétrica do fio condutor que constituí a bobina móvel do instrumento.

8 8 Obs: A sensibilidade do aparelho depende de (Igm) e é definida como sendo o inverso do fundo de escala. 1.2 MEDIDORES DE CORRENTE: AMPERÍMETROS Para o uso de um medidor de corrente (Amperímetro, Miliamperímetro ou Microamperímetro) o mesmo deve ser ligado em série no ramo do circuito onde se deseja medir a corrente. Sua resistência interna deve ser pequena para que não altere a corrente a medir. Obs: 1) A faixa de medida para galvanômetros comerciais situa-se entre: 1µA a 1 ma. Tendo em vista a pequena faixa de medida dos galvanômetros, é necessário que aumentemos a mesma para que medidas de correntes maiores sejam possíveis. Para isso um dos métodos mais comuns é a colocação de um resistor ôhmico em paralelo com o galvanômetro, denominado resistor de derivação ou shunt RESISTOR SHUNT OU DE DERIVAÇÃO As dificuldades em se utilizar um galvanômetro se traduzem em duas situações: a) O galvanômetro, já que possui resistência interna, modifica a corrente que passa pelo ramo onde o mesmo é inserido. b) É um instrumento frágil que só permite medidas de corrente muito pequenas.

9 9 Consegue-se eliminar, na prática, esses problemas associando à resistência interna do galvanômetro (Rg), uma outra resistência (Rs) em paralelo, muito menor que (Rg). Esta resistência é denominada shunt ou derivação do galvanômetro. Analisando o circuito, podemos chegar às expressões: Resumindo: 1. A resistência shunt (Rs) é ligada em paralelo com o galvanômetro; 2. Estando (Rs) em paralelo com a resistência interna do galvanômetro, e sendo muito menor do que (Rg), a resistência equivalente à associação, ou seja, a resistência dos instrumentos de medida será muito pequena e assim não interferirá na corrente que se deseja medir; 3. Pelo fato de (Rs) ser muito menor que (Rg), a maior parcela da corrente de intensidade (It) a ser medida passa por (Rs), de modo a evitar danos ao galvanômetro; 4. A equação de correção é:

10 MEDIDOR DE D.D.P: VOLTÍMETRO O Voltímetro é um instrumento que deve ser ligado em paralelo com o elemento do circuito cuja d.d.p (diferença de potencial) se deseja determinar. Sua resistência interna deve ser muito grande para não alterar a d.d.p a medir. O Voltímetro é um aparelho de alta sensibilidade: uma pequena corrente é capaz de deslocar o seu ponteiro. Acima vemos o diagrama de ligação de um Voltímetro medindo a d.d.p. sobre um resistor. Como um galvanômetro tem uma resistência interna muito pequena e, que um Voltímetro deve ter resistência interna muito grande, o que se faz para um galvanômetro funcionar como Voltímetro é associar em série com ele uma resistência muito grande, a qual é denominado resistor multiplicador (RM). Analisando o circuito:

11 MEDIDA DE RESISTÊNCIA OHMÍMETRO SÉRIE Para se utilizar um Ohmímetro para medir resistência elétrica de um resistor, pelo menos um dos terminais do resistor deve estar desenergizado. A medida é efetuada colocando o Ohmímetro em paralelo com o componente. Ao lado temos um esquema simplificado de um Ohmímetro. Utilizando este esquema acima, vamos projetar um Ohmímetro que dê deflexão =0 no meio da escala quando, sendo os dados do galvanômetro: Igm = 1mA.

12 12 2. MEGÔMETRO O megômetro é um instrumento de medidas elétricas destinado à medição da resistência de isolamento dos dispositivos ou equipamentos elétricos (motores, transformadores, redes de eletrodutos metálicos, cabos, etc...). Essa resistência de isolamento é normalmente de valores elevados, na ordem de megohms (M.). O valor de 1 M. = Basicamente, os megômetro são constituídos pelos seguintes componentes: a) Galvanômetro com bobinas cruzadas (A); b) Bobinas móveis cruzadas (B e B1); c) Gerador de CC manual de 500 ou 1000 V (C); d) Regulador de tensão; e) Ponteiro; f) Escala graduada; g) Bornes para conexões externas (L e T); h) Resistores de amortecimento (R e R1). O funcionamento do megôhmetro é baseado no princípio eletrodinâmico com bobinas cruzadas, tendo como pólo fixo, um imã permanente e como pólos móveis às bobinas B e B1. Quando a manivela do gerador de CC é girada obtêm-se uma tensão de valor variável, de acordo com a velocidade que esteja sendo impressa à manivela. Essa tensão é enviada ao regulador de tensão que a estabiliza em 500 ou 1000 V, sendo enviada aos bornes L e T. Se os bornes L e T estiverem abertos, haverá circulação de corrente somente pela bobina B, que recebe tensão através do resistor de amortecimento R.

13 13 O campo magnético criado por essa bobina B faz um deslocamento do conjunto de bobinas móveis, levando o ponteiro para o ponto infinito da escala graduada. Se os bornes L e T estiverem fechados em curto circuito haverá circulação de corrente também pela bobina B1, que receberá tensão através do resistor de amortecimento R1. O campo magnético criado pela bobina B1 será forte e oposto ao criado pela bobina, o que fará com que o conjunto de bobinas móveis se desloque para outro lado, levando o ponteiro para o ponto zero da escala graduada. Se os bornes L e T forem fechados através de um resistor Rx de valor elevado, a corrente que fluirá pela bobina B1 terá uma intensidade menor, ocasionada pela queda de tensão no resistor Rx. O campo magnético criado pela bobina B1 terá uma intensidade menor, porém ainda em oposição ao campo criado pela bobina B. Nessa situação o conjunto móvel se deslocará levando o ponteiro para um ponto intermediário da escala graduada. Esse ponto intermediário é o valor da resistência ôhmica do resistor Rx.

14 14 A escala do megôhmetro é graduada em megohms e a sua graduação não é homogênea. A leitura da escala graduada do megômetro é direta, ou seja, basta localizar a posição do ponteiro sobre a escala graduada e fazer a leitura. O ponteiro está localizado sobre o número 20. Portanto, Ri = 20 M.

15 15 O ponteiro está localizado sobre o número 1,4. Portanto, Ri = 1,4 M. 2.1 EXEMPLOS DE MEGÔMETROS ELETRÔNICOS

16 16 3. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA 3.1. ESCALAS DE TEMPERATURA a) Celsius b) Fahrenheit c) Kelvin TC = Temperatura em Celsius TF = Temperatura em Fahrenheit TK = Temperatura em Kelvin Relações de Escalas: 3.2. MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE EFEITOS MECÂNICOS Alguns instrumentos para medição de temperatura podem ser classificados como mecânicos. O termômetro de mercúrio líquido é um exemplo muito popular de termômetro, com efeito, mecânico. O mecanismo deste tipo de termômetro é baseado no coeficiente de dilatação térmica. O líquido que está dentro de um bulbo começa a se expandir com o aumento da temperatura e é obrigado a passar por um tubo capilar feito geralmente num vidro devidamente graduado. Observase que a expansão vista na escala é a diferença entre a dilatação do líquido e do bulbo de vidro. De acordo com referências do NBS - USA (National Bureau of Standard), a sensibilidade deste tipo de termômetro pode alcançar medidas de ± 0,05 C. Dentro desta classe de instrumentos é possível ainda incluir os bimetálicos. Esses sensores constituem-se de duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação térmica diferentes fixadas uma a outra.

17 17 Quando imerso em um ambiente sob temperatura, as duas tiras de metal começam a se expandir, no entanto uma delas irá aumentar seu comprimento mais que a outra resultando na deformação do conjunto com a conseqüente formação de um raio que geralmente é utilizado para travar ou destravar uma chave. Devido ao seu baixo custo, uma aplicação bastante popular deste tipo de sensor pode ser encontrada em termostatos, que por sua vez são bastante aplicados em sistemas de segurança TERMÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA O termômetro baseado na variação de resistência elétrica é um dispositivo bastante preciso. Os termômetros de resistência funcionam baseados no fato de que a resistência de uma grande quantidade de materiais varia com a temperatura; de um modo geral, os metais aumentam a resistência com a temperatura, ao passo que semicondutores podem também diminuir a resistência com a temperatura, como está mostrado na fig. 1. Fig. 1 - Variação da resistência com a temperatura. Observa-se que para uma mesma variação de temperatura, a variação de resistência do metal (Rm) é significativamente menor do que a semicondutor no NTC (Rs).

18 18 Os termômetros de resistência são considerados sensores de alta precisão e ótima repetibilidade de leitura. No caso dos metais, o elemento sensor é normalmente feito de Platina com o mais alto grau de pureza e envolto em bulbo de cerâmica ou vidro. As termoresistências, mais usadas nos dias de hoje são as de Platina: Pt-25,5. /PT-100. / PT-120, PT-130./PT-500. Porém, o mais conhecido e usado industrialmente é o PT-100 (a 0 C). Sua faixa de uso vai de -200 a 650 C, conforme a norma ASTM E1137. Em função do erro de medição, são duas as classes de precisão adotadas para as termoresistências: Classe A e Classe B (fig.2). Geralmente, o bulbo de resistência é montado em uma módulo de aço inox, preenchido com óxido de magnésio, de tal modo que haja uma ótima condução térmica e proteção do bulbo com relação a choques mecânicos. A isolação elétrica entre o bulbo e o módulo obedece à mesma norma ASTM E Fig. 2 -Desvios permitidos (erros em C) em função da faixa de temperatura para termoresistências de Pt.

19 19 Sendo que o efeito termoresistivo consiste em explorar a variação da resistência elétrica produzida por uma determinada variação de temperatura, o valor da resistência elétrica de um material, a uma temperatura t, teoricamente, é dada por: onde Ro é o valor da resistência do material a 0 C (ou a alguma outra temperatura de referência). Os valores do coeficiente b, na maioria dos materiais, exceto o níquel, podem ser considerados como zero, assim, a curva resistência versus temperatura é, teoricamente, linear; os valores de a, para alguns tipos de materiais, podem ser vistos na tabela 2. Resistência/ coeficiente de temperatura. O termômetro de resistência, como é chamado por alguns autores, é um instrumento composto de um elemento sensor que apresenta uma alteração na sua resistência elétrica com qualquer mudança na temperatura e um circuito condicionador, responsável por converter a alteração na resistência elétrica do sensor em uma tensão elétrica correspondente. As resistências elétricas dos cabos, dos contatos, etc., podem alterar o resultado da medida ao se somarem à resistência do sensor. Desta maneira, existem vários tipos de montagens que podem ser realizadas, buscando minimizar essas alterações: (a) dois fios, (b) três fios e (c) quatro fios. A fig. 3 mostra a montagem de dois fios; no caso dessa montagem, tem-se uma ligação para cada terminal do bulbo. Normalmente, é aplicada em locais onde o comprimento do cabo do sensor até ao instrumento não ultrapassar 3,0 m, para bitola 20 AWG.

20 20 Na figura 4: montagem de três fios; nesse tipo de montagem, que é a mais utilizada industrialmente, haverá uma compensação da resistência elétrica pelo terceiro fio. Na montagem a quatro fios existem duas ligações para cada lado da ponte, anulando os efeitos dos cabos. Alguns problemas de ordem prática com este tipo de sensor podem ser citados: a) erros devidos a cabos e conexões b) resposta limitada em função da "inércia térmica"provocada pela massa do invólucro, c) geralmente de aço inox. É preciso aquecer primeiramente o invólucro para depois aquecer o sensor d) uma vez que uma corrente deve passar pelo sensor, existe a possibilidade do mesmo; e) aquecer por dissipação de potência.

21 21 Algumas comparações com os termopares são inevitáveis VANTAGENS DAS TERMORESISTÊNCIAS 1. mais precisa que o termopar na sua faixa de uso; 2. usando circuito adequado, podem ser usadas para medidas em grandes distâncias; 3. podem ser usados cabos de cobre comum nas ligações; 4. são mais estáveis que os termopares; 5. sua curva de resistência elétrica em função da temperatura é mais linear que os termopares; 3.5. TERMISTORES Os termistores são sensores fabricados com materiais semicondutores como óxido de magnésio ou cobalto; em aplicações que exigem alta precisão, o semicondutor utilizado pode ser o silício ou o germânio, dopados com algum outro material. Por serem construídos de material semicondutor, possuem a grande vantagem de poderem ser fabricados em um tamanho físico muito pequeno. O termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) é um sensor muito conhecido e encontrado no mercado com uma variedade muito grande no tipo construtivo e nos valores de resistência. Já o termistor de coeficiente positivo (PTC), é mais raro de ser encontrado, dada sua complexidade no aspecto construtivo. A resistência destes elementos sensores segue uma variação exponencial com a temperatura. Desta forma. Uma equação adequada e muito comum para descrever seu comportamento é: Onde R 0 é a resistência à temperatura de referência T 0 e â é uma constante determinada experimentalmente. O valor numérico de â pode variar entre 3500 e 4600 K, dependendo do material do termistor e da temperatura. O termistor é um sensor muito sensível e performances com erros de até 0,01 C podem ser alcançados com calibração adequada.

22 22 Mesmo sendo muito sensível, obviamente, tem a desvantagem de ser não linear, o que obriga a utilização de um sistema para prover o ajuste da temperatura em função da resposta do mesmo, geralmente implementado na forma de programação de um sistema de aquisição de dados. Os termistores NTC, ao inverso dos demais, diminuem sua resistência elétrica com o aumento da temperatura. Uma das aplicações sugeridas para este dispositivo, por exemplo, é o uso do termistor para aumentar a vida útil de grandes lâmpadas de tungstênio. Pode-se adaptar um termistor NTC em série com a mesma, haja vista que a resistência do filamento de uma lâmpada de tungstênio, quando fria, é menor que um décimo do seu valor quando quente e a súbita comutação desta lâmpada diretamente à fonte de tensão encurtam sua vida útil. Uma vez que a resistência dos termistores é muito alta, os erros devido a cabos e conexões é desprezível. Adicionalmente, devido à alta resistência correntes muito baixas são resultantes, o que minimiza os erros devido a auto-aquecimento. Os termistores são semicondutores e desta forma são sujeitos a deteriorar-se em altas temperaturas, e assim limitados para medições até 300 C. Em relação à terminologia, na verdade, todos os sensores aqui estudados são termoresistores - apresentam variação na resistência elétrica própria em função de variação de temperatura sofrida -, mas por uma questão de praticidade, denomina-se termistores o NTC e PTC, e termoresistores o Pt100 e Ni MEDIÇÃO DE TEMPERATURAS COM TERMOPARES FUNDAMENTOS TEÓRICOS Em 1821, o físico alemão Thomas Johann Seebeck observou que, unindo as extremidades de dois metais diferentes x e y (ver Figura 1) e submetendo as junções a e b a diferentes temperaturas T1 e T2, surge uma f.e.m. (força eletromotriz, normalmente da ordem de mv) entre os pontos a e b, denominada tensão termoelétrica. Este fenômeno é conhecido por "Efeito Seebeck".

23 23 Ou seja, ao se conectar dois metais diferentes (ou ligas metálicas) do modo mostrado na Figura 1, tem-se um circuito tal que, se as junções a e b forem mantidas em temperaturas diferentes T1 e T2, surgirá uma f.e.m. termoelétrica e uma corrente elétrica i circulará pelo chamado "par termoelétrico ou "termopar". Qualquer ponto deste circuito poderá ser aberto e nele inserido o instrumento para medir a f.e.m. Uma conseqüência imediata do efeito Seebeck e o fato de que, conhecida a temperatura de uma das junções pode-se, através da f.e.m. produzida, saber a temperatura da outra junção LEIS TERMOELÉTRICAS 1ª Lei Termoelétrica: a força eletromotriz "e" de um termopar depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções de contato. Algumas conseqüências importantes desta 1a Lei: a. - Se as junções estiverem à mesma temperatura, a f.e.m. gerada pelo termopar é nula; b. - A f.e.m. gerada pelo termopar independe do ponto escolhido para medir o sinal. Por isso, ao confeccionar o termopar, numa das junções não é realizada a solda, introduzindo se ali o instrumento.

24 24 c. a f.e.m. do termopar não será afetada se em qualquer ponto do circuito for inserido um terceiro metal, desde que suas junções sejam mantidas a mesma temperatura. Esta propriedade é chamada, por alguns autores, de "Lei dos Metais Intermediários. Deve-se ter um cuidado todo especial com a junta de referência (chamado por muitos autores, de junta fria), uma vez que a flutuação de sua temperatura pode acarretar erros nas aplicações práticas dos termopares. Assim sendo, procura-se manter a junta de referência em locais onde ocorrem pequenas flutuações de temperatura, usando-se, então, como referência, a própria temperatura ambiente ª LEI TERMOELÉTRICA OU LEI DAS TEMPERATURAS Estabelece a relação entre as f.e.m. obtidas pelas diferentes temperaturas de referência CIRCUITO DE TERMOPAR E MEDIÇÃO DE F.E.M. A Figura 2 mostra um termopar usado para medir a temperatura T1; o instrumento indicará uma f.e.m proporcional à diferença (T1 - T2).Sendo que T2 pode ser medida com um termômetro convencional. Na Figura 3 pode-se notar que o voltímetro somente irá informar a f.e.m. (e) se Rv >> RT, uma vez que a tensão V lida no voltímetro, pode ser escrita como:

25 25 Assim sendo, se RT for desprezível frente à Rv, V tenderá a å. Desta forma, a escolha do instrumento adequado, requer um grande cuidado POTÊNCIA TERMOELÉTRICA Fig. 4 - Curva de calibração de um par termoelétrico. Ao se medir a f.e.m. termoelétrica de um par termoelétrico em função da temperatura, obtém-se, em geral, uma relação do tipo mostrado na Figura 4. A curva mostrada na Figura 4 é denominada de curva de calibração do par termoelétrico. 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 (veja a reta 1 da Figura 4). A partir do gráfico da Figura 4 pode-se definir uma grandeza denominada de potência termoelétrica do termopar, dada por: ou para um intervalo de temperatura: A potência termoelétrica representa a sensibilidade de resposta (e) do par termoelétrico com a variação de temperatura (T). Assim, se existem dois termopares, o primeiro com uma potência termoelétrica de 50 mv/ o C e o segundo com 10 mv/ o C, para uma mesma faixa de temperatura, prevalece à opção pelo primeiro, uma vez que este apresenta uma variação maior de e para cada 1 o C, o que torna a medição mais fácil e, eventualmente, mais precisa.

26 TERMOPARES COMERCIAIS A princípio, um termopar pode ser confeccionado com dois metais diferentes quaisquer; entretanto, devido a uma série de fatores (contaminação, custos, repetibilidade, ponto de fusão, homogeneidade, facilidade de produção, fácil soldagem, etc.), são oferecidas poucas combinações no comércio. Dentre os termopares comerciais pode-se citar: Termopar:

27 FIOS DE COMPENSAÇÃO Normalmente em aplicações industriais, o instrumento de medida e o termopar estão relativamente afastados um do outro. Desta forma, 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, conforme mostra a Figura 5. No diagrama apresentado na Figura 5, o sinal lido no instrumento é proporcional a (T1 - T3), já que os fios de compensação possuem as mesmas características do termopar (é como se existisse um único termopar). Observe que, se os fios fossem de cobre (fios comuns) o sinal lido pelo instrumento seria proporcional a (T1 - T2). Como os fios de compensação possuem praticamente as mesmas características dos fios do termopar, é fundamental não trocá-los (em termos de polaridade) na hora de montar o termopar, nem trocar os fios no terminal do instrumento. Caso se tenha dúvida a respeito da polaridade dos fios de compensação basta seguir as especificações do fabricante (normalmente obedecem a um código de cores) ou então conectar uma de suas extremidades e aquecer a união, observando no instrumento a polaridade do sinal, corno se fosse um termopar.

28 CIRCUITOS ESPECIAIS ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE Na termopilha, ou associação em série de termopares (ver Figura 6) a f.e.m. lida no instrumento é, ou seja, equivale à soma das f.e.m. dos diversos termopares que a constituem. A associação em série é principalmente usada nas medições de pequenas diferenças de temperaturas (ou quando se pretende usar os termo pares como "conversores termos-elétricos") ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Quando se deseja medir a temperatura média (associação em paralelo de fontes de tensão CC - na realidade esse é um valor aproximado, o cálculo correto é mais complexo) de um circuito usa-se a associação em paralelo de termopares, conforme mostra a Figura 7. Neste caso:

29 TERMOPAR DIFERENCIAL Quando se está interessado em diferenças de temperatura e não nos valores absolutos (por exemplo, as diferenças de temperatura existentes na câmara de um forno), e usual efetuar a montagem do chamado "termopar diferencial" (ver Figura 8). O nome do termopar diferencial é uma redundância, pois todo o termopar mede diferença de temperatura; neste caso tem-se apenas uma montagem um pouco diferente do termopar convencional PRECISÃO DOS TERMOPARES Ao medir a temperatura de um forno com vários termopares provavelmente têm-se três resultados diferentes; isto ocorre porque todo e qualquer componente possui um erro tolerável. No caso dos termopares a normalização é efetuada pelo N.B.S. (National Bureau of Standards).

30 30 Assim sendo, se você está usando um termopar com fios de compensação e um milivoltímetro, a imprecisão de sua medida decorre de três fatores, ou seja: imprecisão da medida = imprecisão do termopar + imprecisão dos fios de compensação + imprecisão do instrumento (+ eventualmente o erro da temperatura ambiente + o erro de resistência interna do voltímetro).

31 PROTEÇÃO DOS TERMOPARES É usual proteger os materiais que compõem o termopar, evitando choques mecânicos, contaminação, etc., através de tubos de proteção ou de outros dispositivos mais simples, como miçangas. * O fabricante fornece, sob encomenda, fios "especiais" (importados) com imprecisão menor CALIBRAÇÃO - PADRÃO DE TEMPERATURA Dependendo do tipo de medição que será realizada os meios podem apresentar agressividade, choques mecânicos, contaminação gasosa, etc. e os termopares em uso, talvez, necessitem ser periodicamente calibrados. Diversos institutos de pesquisa e universidades possuem fornos especiais e padrões com os quais devem ser realizadas as calibrações. Os padrões seguidos são os seguintes: a. termômetro de resistência de platina de -260 o C a 630 o C b. termopar R ou S de 630 C a 1064 o C c. lei de Planck para radiação, pirômetro ótico ou de radiação - acima de 1064 C "CONSTANTE DE TEMPO" DE UM TERMOPAR Quando se usa um termopar em medições nas quais a temperatura varia rapidamente, é preciso ter certeza de que a "inércia térmica" do sensor não prejudicará ou invalidará as medições, ou seja, o sensor devera possuir "velocidade de resposta" suficientemente grande, ou então não estará medindo o fenômeno corretamente. Dessa forma, ao analisar velocidades de têmpera, por exemplo, em peças metálicas jogadas num líquido, procura-se usar termopar bem fino e, como os registradores convencionais não possuem resposta suficiente rápida, usa-se um osciloscópio para analisar o sinal gerado pelo termopar, ou mais modernamente, um computador com conversor A/ D adequado e software de aquisição e processamento de dados.

32 32 A constante de tempo de um instrumento ou sensor pode ser definida como o "tempo necessário para atingir 63,2% de mudança de uma certa variável tomada como inicial" - no caso poderia ser o instante em que começa o resfriamento (definição semelhante a constante de tempo de um capacitor quando esta sendo carregado). Quando se adquire um termopar, pode-se consultar o catálogo do fabricante e obter este dado (que varia com a bitola e com o material dos fios do par). 4. PIRÔMETRO 4.1 PIRÔMETRO DE RADIAÇÃO INFRAVERMELHO (I.V.) INTRODUÇÃO Existe um grande número de aplicações industriais onde a medição sem contato se faz necessária (termopares, Pt100, Ni100, NTC, bimetais, etc..., são sensores que medem a temperatura por contato, ou seja, precisam estar colocados no ponto onde se pretende medir a temperatura). Como exemplo, pode-se citar a laminação a quente, o forjamento a quente e a fundição. Esses instrumentos precisam ser calibrados com um padrão muito especial: o forno tipo corpo negro (fig. 1); uma vez calibrado o pirômetro de radiação o problema ainda não está resolvido porque o forno tipo corpo negro tem emissividade 1, mas o material a ser forjado, por exemplo, tem emissividade diferente de 1, e essa emissividade varia para cada material, depende das condições da superfície, e outras variáveis. Desta maneira, para uma medição correta é necessário conhecer a emissividade do material (e, eventualmente, avaliar outros fatores como a camada de óxido que se forma na superfície do material, comumente chamada de carepa ). Infelizmente, a maioria das empresas brasileiras não está ciente do problema e, se, o pirômetro foi comprado e veio da fábrica com a emissividade ajustada em 0,8, este valor ficar indefinidamente escolhido, indiferentemente do material (geralmente o ajuste da emissividade é interno ao aparelho, fato que obviamente não ressalta a necessidade da escolha do parâmetro adequado).

33 33 A temperatura é o parâmetro industrial mais importante; caso a temperatura de uso seja superior à necessária, uma série de fatores negativos podem ser considerados: a) custo financeiro adicional, aumentando o preço final do produto; b) poluição térmica; c) diminuição do tempo de vida do forno; d) diminuição de tempo de vida da matriz de forjamento, por exemplo; e) caso não haja um tratamento termo-mecânico posterior, as propriedades mecânicas e metalúrgicas poderão não ser satisfatórias; A RADIAÇÃO DO CORPO NEGRO Um corpo negro ideal é aquele que absorve (em todas temperaturas) toda a radiação que incide nele e sua potência absorvida será 1, independentemente da direção da radiação; na prática, a maioria dos corpos não se comporta dessa maneira e possui, conseqüentemente, uma potência absortiva menor do que 1. Um corpo negro ideal também se comporta como um irradiador ideal. Assim, um corpo negro ideal emite mais energia do que um corpo comum. Essa potência emissiva pode ser chamada emissividade e no caso do corpo negro, vale 1. A emissividade total de um corpo é a potência emissiva em toda a faixa de comprimentos de onda da radiação térmica. Essa emissividade das superfícies não é a mesma para todos os comprimentos de onda; em geral, a emissividade é maior em comprimentos de onda menores e a emissividade de óxidos e outros materiais refratários é maior para comprimentos de onda maiores. Um irradiador que se comporte como um corpo negro pode ser obtido através de um dispositivo com uma cavidade, como um forno, por exemplo, (fig. 1), tendo uma pequena abertura, por onde a radiação pode ser emitida. Fig. 1 - Forno tipo corpo negro.

34 34 Para entender como o sistema funciona como um corpo negro é necessário considerar uma radiação entrando nessa pequena abertura. Essa radiação sofrerá múltiplas reflexões nas paredes internas do forno, antes de escapar pela superfície. Como as paredes internas do forno não refletem perfeitamente a radiação, em cada reflexão uma parte da radiação é absorvida. Conseqüentemente, após muitas reflexões, a quantidade de radiação que consegue escapar pela abertura é muito pequena. Portanto, a cavidade absorveu praticamente toda a radiação incidente, comportando-se como um corpo negro (fig. 2). Fig. 2 - Cavidade comportando-se como um corpo negro, após múltiplas reflexões. Essa pequena cavidade também pode funcionar como um irradiador ideal = corpo negro; considerando um corpo imerso num fluxo de energia radiante; caso esse corpo não irradie energia numa velocidade igual à que ele emite, ele ficará mais aquecido do que o meio do qual ele recebe energia. Na prática, um corpo somente está em equilíbrio térmico com o meio se a taxa de energia recebida for igual à emitida e nesse caso, sua emissividade é igual à sua absorção. A pequena abertura que se comporta como um corpo negro absorvedor, torna-se um corpo negro emissor. 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-Bolzmann) da temperatura absoluta = graus Kelvin, e pode ser escrita:

35 35 onde Kelvin. é a constante de Stefan-Bozmann (5,67032x10-8 W.m2. K-4) e T é a temperatura em graus Quando um corpo é aquecido ele muda de cor; isso ocorre porque a distribuição da energia ocorre numa faixa de comprimentos de onda, como mostra a fig. 3 a seguir. Quando o corpo está numa temperatura próxima de 500 C sua cor é vermelha escura; a 900 C sua cor é vermelho-cereja e alaranjada a cerca de C. Sua cor torna-se praticamente branca acima de C (espectro visível). A lei de Wien diz que a intensidade máxima de irradiação ocorre a um comprimento de onda específico, que diminui à medida que a temperatura aumenta: onde é o comprimento de onda correspondente à radiação de máxima intensidade, e T é a temperatura Kelvin.

36 PIRÔMETROS DE RADIAÇÃO Os instrumentos usados para medição de temperatura através da radiação emitida pelo corpo são chamados de pirômetros de radiação. Existem diversas técnicas segundo as quais a temperatura pode ser medida: radiação total, óticos, fotoelétricos e piroelétricos, sendo as três primeiras as mais importantes. Mais recentemente, os pirômetros fotoelétricos praticamente tomaram conta do mercado industrial. Os pirômetros de radiação total, como o próprio nome diz, focalizam a radiação incidente (todos os comprimentos de onda) sobre um sensor (fig. 4), que pode ser uma termopilha, um termoresistor, NTC, etc... Os sensores geralmente são elementos enegrecidos de modo a absorverem o máximo da energia incidente. O sinal de saída é, então, relacionado com a temperatura do corpo (uma vez conhecida à curva de calibração, obtida com um forno tipo corpo negro). Os pirômetros óticos medem temperatura por comparação: eles selecionam uma faixa específica da radiação visível (geralmente o vermelho) e compara com a radiação de uma fonte calibrada, normalmente o filamento de uma lâmpada incandescente. A escolha de filtro vermelho prende-se ao fato de que com a cor vermelha consegue-se uma radiação praticamente monocromática, sem perdas de intensidade, o que não se consegue com filtros de outras cores.

37 37 A lente objetiva é focalizada de modo a formar uma imagem do objeto no plano do filamento da lâmpada; a ocular é focalizada sobre o filamento. Ambas as lentes estão simultaneamente em foco, com o filamento do pirômetro atravessando a imagem da fonte de radiação, como mostra a fig. 5. Ajustando a corrente do filamento (através de reostato adaptado ao corpo do pirômetro), faz-se variar a intensidade da cor do filamento, até confundir-se com a cor do objeto. Ao invés de calibrar a escala do reostato em corrente, calibra-se diretamente em temperatura. Fig. 5 - Pirômetro ótico: a radiação do objeto é comparada com a intensidade da cor do filamento da lâmpada interna. Tanto o pirômetro de radiação total como o ótico dificilmente se prestam para medições dinâmicas; além disso, no caso do pirômetro ótico, a acuidade visual do operador pesa no resultado final, o que não é interessante. Os pirômetros fotoelétricos normalmente empregam sensores que atual na faixa do infravermelho, e, portanto, abrangem uma faixa de temperatura maior do que os pirômetros de radiação total e ótico; além disso, são mais rápidos, respondendo na casa dos milisegundos. Portanto, sensores de infravermelho não só operam em altas temperaturas, mas também podem ser usados nos chamados processos industriais a frio (forjamento, extrusão, trefilação, etc.). Sua faixa de uso pode ser descrita de 0 a C. Os pirômetros fotoelétricos possuem basicamente a mesma estrutura de um pirômetro de radiação total, só que a termopilha, por exemplo, é substituída por um fotodiodo, e, conseqüentemente o circuito de leitura/ processamento do sinal é um pouco diferente. Os fotodiodos são junções P-N (Si ou Ge), onde a radiação incidente atinge a região da junção; esses diodos são operados com tensão reversa, isso é, condição de não condução (ver aula prática sobre diodos retificadores/ usos do osciloscópio).

38 38 Nessas condições, os elétrons não possuem energia suficiente para cruzar a barreira de potencial. Entretanto, com a radiação incidente, a colisão dos fótons com os elétrons fará com que os elétrons ganhem energia e cruzem a junção. A energia transportada pelos fótons depende de seu comprimento de onda.a escolha de Si ou Ge depende da temperatura e conseqüentemente do comprimento de onda a ser medido. O Si tem uma resposta na faixa de 1,1 a 0,4 o Ge possui uma banda de 2,5 µm a 1. Para aplicações acima de 600 C, o comprimento de onda usado situa-se na faixa dos 0,9. Todos esses pirômetros (ótico, radiação total, fotoelétrico) precisam de correção de leitura em função da variação da temperatura ambiente; geralmente, um circuito baseado num NTC é empregado com essa finalidade. Outro aspecto relevante relacionado à medição com pirômetros de radiação diz respeito ao fato que a superfície dos objetos, que se pretende medir a temperatura, não se comporta como um corpo negro ; dessa maneira é necessário fazer uma correção da emissividade. Esse erro pode ser muito significativo devido à variedade de materiais usados industrialmente, bem como das condições da superfície (polida, oxidada.). Fig. 6 - Correção da emissividade devido ao fato de que os objetos reais não se comportarem como corpos negros ideais. Mostra também a correção da temperatura para a emissividade. A técnica de medição de medição de emissividade é geralmente bastante complexa.

39 39 Mais recentemente, surgiram os pirômetros de duplo comprimento de onda, que aparentemente deveriam realizar a medida de temperatura independentemente do comprimento, mas estes instrumentos também incorrem em erros de medição, apesar de menores do que os casos citados anteriormente. Esses instrumentos, entretanto, possuem um custo bastante superior (cerca de 3 a 4 vezes o de um pirômetro fotoelétrico convencional). A fig. 7 mostra o sinal obtido com termopar adaptado dentro de uma peça automotiva e o sinal obtido com um pirômetro infravermelho; note-se que a diferença de temperatura é superior a 100 C. Nesse caso, existe também o efeito da carepa, (óxido que se forma em volta do corpo), somado ao fato da emissividade ser menor do que 1. Para que se possa ter uma melhor idéia da influência do parâmetro emissividade, esse parâmetro é mostrado na tab. 1, em função do tipo de material.

40 40 A fig. 8 mostra um pirômetro infravermelho; esse modelo possui mira de laser mas não possui ajuste de emissividade, que pode ser ajustada em outros modelos de pirômetro infravermelho.

41 TERMÓGRAFOS Os termógrafos são equipamentos mais sofisticados, que fornecem imagens térmicas, a partir de um array de sensores de infravermelho; esse tipo de equipamento vem sendo empregado cada vez com maior freqüência, devido às suas aplicações: numa indústria, poderia levantar o perfil térmico (distribuição de temperatura) numa matriz de forjamento, por exemplo. Um limitador do seu uso é o seu preço, sem dúvida, que fica na média entre U$ e U$ ,00. A aplicação dos termógrafos tem aumentado significativamente na área médica, principalmente na área de diagnóstico; desta maneira, o diagnóstico termográfico é usado para ortopedia, diabetes, doenças da pele (já que é possível fazer uma imagem térmica da superfície do corpo humano), doenças vasculares, pesquisas na área da dor, medicina esportiva, etc... Também é possível usar essa técnica para acompanhar o progresso do processo de recuperação dos pacientes.

42 42 A inspeção termográfica (Termografia) é uma técnica não destrutiva que utiliza os raios infravermelhos, para medir temperaturas ou observar padrões diferenciais de distribuição de temperatura, com o objetivo de propiciar informações relativas à condição operacional de um componente, equipamento ou processo. Em qualquer dos sistemas de manutenção considerados, a termografia se apresenta como uma técnica de inspeção extremamente útil, uma vez que permite: realizar medições sem contato físico com a instalação (segurança); verificar equipamentos em pleno funcionamento (sem interferência na produção); e inspecionar grandes superfícies em pouco tempo (alto rendimento). Os aplicativos desenvolvidos para a posterior análise das informações termográficas obtidas, como a classificação de componentes elétricos defeituosos, avaliação da espessura de revestimentos e o cálculo de trocas térmicas, permitem que esses dados sejam empregados em análises preditivas. Aplicações de termografia: Manutenção preditiva dos sistemas elétricos de empresas geradoras, distribuidoras e transmissoras de energia elétrica; Monitoramento de sistemas mecânicos como rolamentos e mancais; Vazamentos de vapor em plantas industriais; Análise de isolamentos térmicos e refratários; Monitoramentos de processos produtivos do vidro e de papel; Acompanhamento de performance de placas e circuitos eletrônicos; Pesquisas científicas de trocas térmicas, entre outras possibilidades. Na indústria automobilística é utilizada no desenvolvimento e estudo do comportamento de pneumáticos, desembaçador do párabrisa traseiro, no turbo, nos freios, no sistema de refrigeração, etc. Na siderurgia tem aplicação no levantamento do perfil térmico dos fundidos durante a solidificação, na inspeção de revestimentos refratários dos fornos. A indústria química emprega a termografia para a otimização do processo e no controle dos reatores e torres de refrigeração, a engenharia civil inclui a avaliação do isolamento térmico de edifícios e determina detalhes construtivos das construções como, vazamentos, etc.

43 43 5. HIGRÔMETRO 5.1 INTRODUÇÃO Antes de estudarmos o instrumento Higrômetro, devemos conhecer como este instrumento funciona: O que é umidade relativa? O tempo depende não apenas dos ventos, mas também da umidade. Muitas vezes no verão você diz que o ar está úmido, pesado. O ar "pesado" tem grande umidade relativa; ele contém quase tanta umidade quanto pode conter. Quando um espaço contém todo o vapor de água que pode conter a sua temperatura, sua umidade relativa é de 100 por cento. Se um metro cúbico de ar contém 7 gramas de vapor de água, mas pode conter 14 gramas, sua umidade relativa é de 50 por cento. Umidade relativa (U.R.) de um volume de ar é a relação entre peso de vapor de água que ele contém e o que conteria se estivesse saturado. A quantidade de vapor de água necessária para saturar um volume aumenta com a temperatura. A tabela seguinte dá alguns pesos específicos (peso por unidade de volume) do vapor de água do ar saturado a diversas temperaturas. 5.2 HIGRÔMETRO DE FIO DE CABELO O que um higrômetro mede? Um higrômetro indica umidades relativas. No higrômetro de cabelo (Fig. 1) um fio de cabelo humano, preso em A, é enrolado no eixo B e fixo à mola C que o distende. Quando a umidade do ar aumenta, o cabelo absorve água do ar e expande, fazendo rolar o eixo com ponteiro ao ser distendido pela mola. O ponteiro indica a umidade relativa numa escala graduada.

44 HIGRÔMETRO DE BULBOS SECO E ÚMIDO Nos serviços de Meteorologia se usam freqüentemente higrômetros de bulbos seco e úmido (Fig. 2); são formados por dois termômetros. Um termômetro tem o bulbo envolvido por um tecido molhado; o outro tem o bulbo seco. 0 termômetro de bulbo seco dá a temperatura real do ar. A água evaporando-se do bulbo úmido o resfria. Se o ar está seco, a água se evapora rapidamente, de modo que o bulbo úmido fica vários graus mais frio que o bulbo seco. Se o ar está úmido e sua umidade relativa é alta, a água se evapora lentamente e o bulbo úmido se esfria muito pouco. Para determinar a umidade relativa com um higrômetro de bulbos seco e úmido, você lê as duas temperaturas e determina a diferença. Por exemplo, se a temperatura de sua sala de aula é de 27ºC e a diferença de temperatura entre o termômetro de bulbo seco e o de bulbo úmido é de 6ºC, a umidade relativa será de 59%.

45 MODELOS DE HIGRÔMETROS 6. DENSÍMETRO 6.1 INTRODUÇÃO O que produz o empuxo? A Fig. 1 mostra blocos cúbicos num tanque de água. O bloco superior apenas aflora na superfície da água; sua face inferior está a 1 decímetro de profundidade. A pressão nessa profundidade é de 1 quilograma por decímetro quadrado; portanto a água exerce sobre esse bloco uma força para cima de 1 quilograma. Esse é exatamente o peso da água que o bloco desloca (1 dm 3 ). A força para cima é também igual ao peso do bloco no ar. Fig. 1 - A força de baixo para cima na face inferior de cada bloco é maior que a força de cima para baixo na face superior. O empuxo não depende da profundidade. A base do bloco inferior está a 4 decímetros de profundidade; portanto a água faz sobre ela uma força, para cima, de 4 quilogramas. A face superior do bloco estando a 3 decímetros de profundidade recebe uma força para baixo de 3 quilogramas. A diferença das forças, 1 quilograma, é igual ao peso da água deslocada, justamente corno para o primeiro bloco. Um líquido exerce um empuxo sobre um corpo flutuante ou submerso nele porque a pressão na parte inferior do corpo é maior que a pressão na sua parte superior.

46 46 A força de empuxo no bloco depende da diferença entre a pressão na sua face inferior e a pressão na face superior. Essa diferença é exatamente a mesma quando o bloco está a 30 centímetros de profundidade e quando está a 30 metros. O empuxo não depende da profundidade. Finalmente, suponhamos que um terceiro bloco, pesando 1800g* no ar, desloque 1 dm 3 de água e esteja completamente submerso na água. Que força deve um homem exercer para sustentar o bloco dentro da água e impedir que vá para o fundo? Como antes, a diferença entre a força para baixo devida à pressão da água sobre a face superior do bloco e a força para cima sobre a face inferior é 1kg*. Essa é a força de empuxo e ajuda a sustentar o bloco. Portanto, o homem deve exercer uma força para cima igual a 1800g* menos 1000g*, isto é, 800g* para sustentar o bloco submerso. Dizemos que o bloco pesa 800g* quando submerso na água. Lembre-se, contudo, de que este é seu peso aparente. A Terra ainda atrai o bloco submerso com uma força de 1kg*. - O mergulhador de Descartes. O famoso cientista e filósofo francês Descartes inventou um brinquedo que demonstra a lei do empuxo. Encha uma garrafa de remédio ou de bebida, achatada lateralmente, com água e coloque nela um pequeno tubo de ensaio ou um tubo de pastilhas com a extremidade aberta para baixo. Tenha cuidado de que o tubo esteja com cerca, de três quartas partes cheias de água de modo que ele apenas aflore na superfície da água da garrafa (Fig. 2). Coloque uma rolha não muito apertada na garrafa, sem deixar ar entre a rolha e a água. Apertando mais a rolha ela exercerá uma pressão sobre a água que por sua vez comprimirá o ar no tubo, diminuindo seu volume. O empuxo será então menor, não equilibrando mais o peso, e então o tubo afunda. Soltando a rolha ou removendo-a, o ar do tubo expande novamente, deslocando maior quantidade de água e, portanto aumentando o empuxo de modo que o tubo sobe. Graduando a pressão na rolha você pode fazer o tubo parar em qualquer posição. Se a garrafa for de plástico você pode usar uma rolha bem presa e comprimir a garrafa lateralmente. Na realidade ele afunda porque você comprime, simultaneamente, a garrafa e assim aumenta a pressão na água.

47 47 Você pode determinar densidades usando a lei de Arquimedes. Para determinar a densidade de um corpo você divide seu peso pelo peso de igual volume de água. Por outro lado à lei de Arquimedes diz que a diminuição de peso de um corpo num líquido é igual ao peso do líquido deslocado (que tem o mesmo volume que o corpo). Suponhamos que uma pedra de 5 quilogramas pese, quando imersa na água, 3 quilogramas. Portanto ela desloca água pesando 2 quilogramas. A densidade da pedra é então 5kg* dividido 2kg* = 2,5. Para calcular a densidade de um corpo divida seu peso pela sua perda de peso na água, isto é, pelo peso de igual volume de água. Exemplo: Determine a densidade de uma pedra que pesa 90g* no ar e 60g* quando submersa na água. 90g* = peso da pedra no ar; 60g* = peso da pedra na água. Determine a densidade da pedra. Peso de igual volume de água = peso perdido na água = 90g* menos 60g* = 30g*. Nós usamos densímetros para medir densidade. Você já viu certamente um empregado do posto de gasolina usando um densímetro para medir a densidade do líquido da bateria elétrica de um automóvel. O densímetro indicado na Fig. 3-A flutua na água de modo que a escala vertical marca 1,0, a densidade da água, na superfície do líquido. Na figura 3-B o densímetro está flutuando no líquido de uma bateria inteiramente carregada (o densímetro que você viu no posto de gasolina constava, provavelmente, de um tubo semelhante a um grande conta-gotas, para aspirar o líquido da bateria, no interior da qual estava um pequeno densímetro). O líquido da bateria é uma solução de ácido sulfúrico em água. Sua densidade é maior que a da água.

48 48 Em uma bateria com solução ácida o densímetro desloca um menor volume de líquido e flutua mais alto. À medida que a bateria vai-se descarregando, a quantidade de ácido no líquido vai diminuindo e, portanto, também sua densidade. Densímetros especiais usados para medir densidade de álcool e de leite são chamados alcoômetros e lactometros. 6.2 RESUMO Empuxo é a força para cima que um líquido exerce sobre um corpo parcial ou completamente submerso nele. A lei de Arquimedes diz que a perda aparente de peso de um corpo imerso ou flutuante é igual ao peso do líquido deslocado. O empuxo que atua num corpo é igual ao peso do fluido que o corpo desloca. Densidade = peso do corpo/ peso de igual volume de água peso do corpo/ perda de peso na água. 6.3 EXEMPLO DE DENSÍMETROS

49 49 7. MEDIÇÃO DE VIBRAÇÃO Os instrumentos de medir vibração podem ser classificados em: Medidores de vibração; Monitores de vibração. A diferença entre os dois tipos é que os medidores são utilizados em medições periódicas e os monitores são utilizados permanentemente para uma medição contínua. Os monitores são principalmente encontrados em grandes equipamentos onde o nível de vibração é imprescindível até do ponto de vista de segurança PERIODICIDADE DAS MEDIÇÕES Este item é importante sob o ponto de vista organizacional. A periodicidade das medições não pode ser tão pequena a ponto de termos um grande risco de não detectar um problema, nem tão grande a ponto de se tornar inviável (equipe exagerada). Uma boa sistemática é utilizar um critério da engenharia de confiabilidade, definindo o nível de confiança desejado na detecção do defeito e calculando o período da equação básica de Weibull: Onde: t - Período de medição; TMEF - Tempo médio entre falhas. Por exemplo, se quisermos uma confiabilidade de 95% e termos um TMEF de 36 meses, o intervalo de medição será de 55 dias. Deve ser ressaltado que a confiabilidade de 95% se refere à probabilidade de um defeito ser detectado antes de uma falha da máquina e não a confiabilidade do equipamento em si.

50 50 Note que nem todos os tipos de defeitos são detectáveis pela análise de vibração, estamos nos referindo apenas que o são. As máquinas mais importantes da instalação devem ser analisadas com uma freqüência maior que as demais, por ser de interesse diminuir a probabilidade de um defeito não ser detectado a tempo de uma intervenção. Esse conceito normalmente é levado ao extremo em equipamentos críticos, que não possuam reserva que normalmente são monitorados continuamente, é o caso das máquinas papeleiras NÍVEIS DE ALARME O estabelecimento de níveis de alarme visa a separar os equipamentos que estão em condições adequadas dos que têm algum problema, e deve ser feito no início de um programa de manutenção Preditiva. A razão para esta separação é concentrar maiores esforços na análise de casos em que o equipamento ultrapassou o nível de alarme ou está prestes a ultrapassar. Para definir o nível de alarme de cada equipamento é preciso conhecer o histórico de vibrações de cada máquina para se conhecer o seu nível normal e de vibração e as variações que normalmente acontecem. Esta sistemática permitirá indicar com certa precisão a existência de um problema ou o princípio de um. Mas este procedimento só é possível em equipamentos instalados e que possuem históricos. No caso de equipamentos novos ou no início de implantação de uma manutenção produtiva, não existem informações sobre comportamento vibracional. Nestes casos, podemos utilizar as normas técnicas que regulam o projeto ou normas de fabricação. Para isto é necessária uma boa comunicação entre o fabricante e sua equipe de manutenção que devem decidir conjuntamente, se já não estabelecida, os níveis aceitáveis de vibração. Portanto, na aquisição de máquinas é recomendável que a equipe de manutenção certifique-se que o fabricante possui níveis estabelecidos dos níveis de vibração.

51 ESTUDOS DE CASOS DESBALANCEAMENTO DE MASSA O desbalanceamento de massa é uma fonte comum de vibração em máquinas e equipamentos, e sua conseqüência é um aumento de amplitude em 1 x rpm. Essa amplitude será proporcional à quantidade de desbalanceamento presente. O desbalanceamento acontece devido a uma alteração no equilíbrio das forças radiais que atuam sobre o eixo da máquina. A causa mais comum é o acúmulo de material sobre volantes de inércia, hélices de ventiladores, hélices de ventoinhas de motores, etc... mas pode ser causado também por perda de massa, como a quebra de uma hélice, por exemplo. Portanto, quando a resultante das forças radiais que atuam sobre o eixo for diferente de zero, esta resultante causará um aumento da vibração em 1 x rpm que será tanto maior quanto for a velocidade de rotação do eixo. Nota: A vibração no sentido axial será nula ou desprezível em relação à radial DESALINHAMENTO DE ACOPLAMENTO O desalinhamento é um problema mais freqüente que o desbalanceamento, e a razão é muito simples: o número de variáveis que pode causar um desalinhamento é maior que no caso de desbalanceamento. Como exemplo podemos citar: falha de montagem, defeito na base, parafusos de fixação folgados, etc...

52 52 Temos três tipos possíveis de desalinhamento: Angular onde as linhas de centro dos dois eixos fazem um ângulo; Paralelo onde às linhas de centro são paralelas, porém deslocadas entre si; Combinado os dois anteriores ao mesmo tempo.

53 53 O desalinhamento, mesmo com acoplamentos flexíveis, resulta em duas forças, axial e radial. Isto é verdade mesmo quando o desalinhamento estiver dentro dos limites de flexibilidade do acoplamento. A amplitude das forças, e, portanto a quantidade da vibração gerada aumentará com o aumento do desalinhamento. A característica significante da vibração devido ao desalinhamento é que ela acontecerá nas duas direções, axial e radial. Esta é a razão porque as leituras axiais devem ser tomadas. Normalmente a freqüência de vibração é 1 x rpm, contudo, quando o desalinhamento é severo, a freqüência é de segunda ordem (2 x rpm) Vibrações causadas por folgas mecânicas As folgas mecânicas causam vibrações no sistema geralmente na freqüência de rotação da máquina seguida de muitas harmônicas, sendo mais evidente na direção radial e sentido vertical. Estas vibrações são muitas vezes geradas por parafusos frouxos, folgas excessivas nos mancais ou talvez uma trinca na estrutura ou nos pedestais de mancais. A vibração característica de folgas mecânicas não ocorre sem que haja outras forças excitando o sistema, tais como desalinhamentos, desbalanceamentos, etc... Quando há folga excessiva, mesmo não havendo desalinhamentos ou desbalanceamentos aparecem grandes níveis de vibração. Então, as folgas amplificam as vibrações. As folgas são fontes perigosas de vibrações, pois concentram grande energia cinética sobre o equipamento devido ao grande número de harmônicos gerados, o que pode levar a quebras de base, estrutura, carcaça, etc Vibrações em engrenagens Conhecer as freqüências das vibrações geradas pelos engrenamentos é fundamental para o diagnóstico de sistemas de engrenagens. A freqüência típica dos sistemas com engrenamento é a freqüência de engrenamento, igual ao número de dentes vezes a rotação da engrenagem. Existirá uma freqüência de engrenamento para cada par engrenado. Se o engrenamento fosse perfeito, a vibração seria puramente senoidal e no espectro existiria apenas a freqüência fundamental do engrenamento (componente de primeira ordem).

54 54 Qualquer irregularidade, desgaste, deformação ou esforço externo fará desaparecer a condição de engrenamento perfeito. Todos os erros associados com as engrenagens afetam o engrenamento e, por conseqüência, afetam também a forma de onda da vibração. As formas de onda das vibrações dos engrenamentos com erros continuam periódicas, mas não são mais senóides puras. Seus espectros apresentarão vários componentes harmônicos da freqüência de engrenamento. O primeiro indício de anormalidade é a presença de harmônicos do engrenamento. Quanto maior o número de harmônicas e quanto maiores sua amplitudes, maiores serão os erros. É normal que a componente de engrenamento apresente algumas bandas laterais em configuração simétrica de amplitude e espaçamento. Qualquer desvio na simetria desta configuração é indício de início de problemas nas engrenagens. O espaçamento entre as bandas laterais é igual à freqüência de rotação da engrenagem. Se houver variação entre este espaçamento isto indica folga excessiva entre as engrenagens (backlash). Se houver variação nas amplitudes das bandas laterais isto indica dente quebrado VIBRAÇÕES CAUSADAS POR DEFEITO EM ROLAMENTOS Os rolamentos são os elementos de máquinas mais comuns na indústria. Muitas vezes eles são os componentes de maior precisão do equipamento. Geralmente possuem tolerância de até 1/10 das tolerâncias dos demais elementos da máquina ou equipamento. Somente 10 a 20% dos rolamentos atingem a sua vida de projeto por causa de uma variedade de fatores, principalmente: Lubrificação inadequada; Contaminação por partículas estranhas; Armazenagem imprópria; Umidade; Vibração externa; Erro de aplicação e Montagem imprópria. Com certeza os mancais de rolamento são os elementos de máquina mais estudados e pesquisados em termos de vibração. A razão disso é óbvia, pois raramente encontramos equipamentos em que estes elementos não estejam presentes.

55 55 Rolamentos geram quatro freqüências características: freqüências geradas por defeitos na pista externa, pista interna, gaiola e corpos rolantes. Os desgastes em rolamentos evoluem em quatro fases: inicialmente os problemas aparecem em freqüências ultra-sônicas (entre 20 e 60 khz). Num segundo estágio pequenos defeitos excitam freqüências naturais dos componentes do rolamento (devido aos impactos causados pela passagem das esferas) na faixa de freqüência de 500 Hz a 2 KHZ. Quando o desgaste progride, surgem harmônicas das freqüências discretas e bandas laterais com espaçamento de 1 x rpm. Muitos rolamentos são trocados quando atingem esse ponto, provavelmente pelo ruído que produzem. No estágio final, quando as avarias são severas, impactos violentos excitando freqüências naturais ocorrem quando uma pista passa pela zona de carga. Rolamentos com defeitos em suas pistas, esferas ou rolos, usualmente causam vibrações em altas freqüências, que não são múltiplos inteiros da rotação do eixo. Isso se explica devido à natureza das forças dinâmicas que excitam o rolamento defeituoso gerando vibrações. Por exemplo, um defeito na esfera passará pelas pistas interna e externa em uma sucessão de impactos com o dobro da freqüência de rotação da esfera, chamada spin. A freqüência fundamental da vibração será bem mais alta do que a do eixo. Além disso, forças dinâmicas do tipo impulso geram vibrações de freqüência muito alta, na faixa de ressonância estrutural das pistas do rolamento. A amplitude da vibração dependerá da extensão da falha no rolamento. Já os defeitos na gaiola do rolamento geram vibrações com freqüências mais baixas que a freqüência de rotação do eixo. 8. PAQUÍMETRO O paquímetro é o resultado da associação de uma escala como padrão de comprimento, de dois bicos de medição, como meios de transporte da medida, sendo um ligado à escala e outro ao cursor e de um nônio como interpolador para leitura entre traços. Os paquímetros distinguem-se pela faixa de operação, pelo nônio, pelas dimensões e formas do bico. Em geral, os paquímetros são construídos para faixa de operação entre mm; o comprimento dos bicos de 35 a 200 mm correspondentemente. Para casos especiais é possível adquirir paquímetros de bicos compridos.

56 56 O material empregado na construção de paquímetros é usualmente o aço com coeficiente de dilatação linear equivalente à maioria das peças. de forma que o mesmo tenha comportamento térmico As superfícies dos bicos situadas frente a frente destinam-se às medições externas. Para medições internas, os extremos dos bicos são rebaixados, com superfícies externas cilíndricas. Ao usar-se estas superfícies de medição, deve-se adicionar a medida lida no nônio a espessura dos ressaltos, que geralmente é um valor arredondado (10 ou 20 mm). Nos paquímetros universais para medições internas com leituras menores do que este valor arredondado, os bicos são prolongados para cima e apresentam a forma de gumes. Paquímetros pequenos podem ter na parte traseira uma lingüeta que se move junto com o cursor e serve para medir profundidade.

57 57 Paquímetro Universal 8.1. TIPOS DE PAQUÍMETROS Além do tipo universal o paquímetro pode ser apresentado de formas específicas para cada uso: Paquímetro de profundidades; Calibrador de espessura de dentes de engrenagens; Paquímetro de altura (graminho); Paquímetro com rasgo de chaveta. Além destes tipos existem muitas outras variantes, no formato e tamanho dos bicos, da faixa de operação, etc

58 TIPOS DE MEDIDAS FEITAS COM PAQUÍMETRO Aspectos Operacionais: Nas medições externas recomenda-se colocar a peça a ser medida o mais perto possível da escala, de modo a minimizar os erros. Em geral na medição com paquímetro, deve-se evitar um aperto forte dos bicos sobre a peça (evitar força de medição excessiva). Além disso, deve-se evitar ao máximo possível movimento relativo entre os bicos e peça, já que isto provoca desgaste dos bicos e assim a geração de erros de medição com o paquímetro. Sob hipótese alguma se deve medir uma peça em movimento como num torno. Alguns paquímetros digitais podem ser interfaceados a pequenas impressoras com módulos estatísticos ou até microcomputadores onde os dados podem ser processados rapidamente, facilitando o trabalho dos cálculos intermediários m operações mais complexas.

59 59 9. MICRÔMETROS O desenvolvimento dos micrômetros deslanchou o avanço tecnológico na fabricação de roscas e fusos de alta qualidade. Um fuso roscado possui, da mesma forma que uma escala, uma divisão continua e uniforme, representada pelos filetes da rosca. Num fuso roscado de 1 mm de passo, o afastamento do filete para o seguinte é de 1 mm; ele corresponde, portanto a uma escala dividida em milímetros. A tomada de medida é efetuada girando o fuso na porca correspondente, obtendo-se entre estes elementos, um movimento relativo de um passo para cada volta completa. Frações de passo podem ser obtidas subdividindo-se uma volta completa em tantas partes quantas se queira. O movimento axial do fuso ou da porca, determinado pelo número de voltas, pode ser usado para alterar o afastamento entre duas superfícies de medição de um determinado valor, como se verifica, por exemplo, nos micrômetros. Como já referido o movimento longitudinal pode ser realizado tanto pelo fuso como pela porca, o mesmo pode-se dizer do movimento giratório. Nos parafusos de medição, ambos os movimentos são realizados geralmente pelo fuso. A face frontal do fuso, normal ao eixo do mesmo constitui usualmente uma superfície de medição. O fuso leva um tambor com divisões na periferia, no qual são lidas as frações de volta. Os erros do movimento de avanço de um fuso de medição que corresponde aos erros de divisão de uma escala dependem de diversos fatores ERROS DO PASSO DA ROSCA Do perpendicularismo da superfície de medição em relação ao eixo do parafuso de medição; Da planicidade das superfícies de medição; Do paralelismo das superfícies de medição; Da cilindricidade do tambor de leituras; Do erro de divisão do tambor. Na figura abaixo, pode ser visto um micrômetro com cortes parciais junto com a denominação das partes principais do mesmo.

60 60 O micrômetro tem como porta medida um fuso roscado, cujo passo deve corresponder precisão e grandeza aos objetos da medição. Os micrômetros têm em geral um passo de 0,5 mm. Os materiais empregados para fabricação do parafuso micrométrico são aço liga ou aço inoxidável. Os parafusos micrométricos são retificados, temperados e estabelecidos com dureza de aproximadamente 63 HRc (Hardness Rockwell) para a garantia de durabilidade do mesmo. O tambor graduado está fixado ao uso, executando assim o mesmo movimento como aquele. A fim de determinar o deslocamento longitudinal do fuso de medição, na parte dianteira do tambor achase gravada uma escala que subdivide uma rotação em 50 partes. O deslocamento de uma divisão de escala no tambor corresponde ao deslocamento longitudinal de 0,01 mm.

61 61 Detalhe de um micrômetro A trava do parafuso micrométrico permite fixar a haste de medição em qualquer posição arbitrária. Ela deve impedir o deslocamento do fuso quando acionada sem, porém deslocá-lo do seu eixo. A catraca é ligada ao parafuso micrométrico possibilitando força de medição constante. Se a força for superior a resistência da catraca a mesma gira em falso sobre o parafuso (a catraca limita o torque transmissível ao fuso). As plaquetas fixadas ao arco devem possibilitar a fácil acomodação do micrômetro na mão do operador e permitir o isolamento contra o calor transmitido pela mesma, de modo a evitar erros na medição provenientes da dilatação térmica do aço. A cromação do tubo e do tambor aumenta resistência ao desgaste e ataques pelos agentes químicos. Procurando facilitar a leitura, a cromação deve ser opaca e não brilhante para evitar reflexos. Por estarem em contato com a peça a ser medida, os sensores de medição estão sujeitos ao desgaste e por isso nas extremidades dos mesmos, emprega-se placas de metal duro. Estas placas devem ser manuseadas com cuidado, pois o metal duro é frágil. A dureza dos sensores é de aproximadamente 63 HRc (Hardness Rockwell). A qualidade da superfície da peça também influenciará no desgaste dos sensores. De importância capital para a minimização da incerteza de medição são a retificação e a lapidação paralela dos sensores.

62 TIPOS DE MICRÔMETROS: Além dos micrômetros convencionais com sensores de medição planos, existem micrômetros especiais com sensores de medição adaptados aos objetivos da medição. São utilizados para as mais diversas operações como medição de roscas externas e internas, módulos de engrenagens, rasgos de chavetas, etc. Micrômetro para medição do diâmetro de flancos de rosca; Micrômetro para medidas sobre dentes de engrenagens; Micrômetro para medição de espessura de paredes de tubos; Micrômetro de profundidade; Micrômetro para medidas internas; Micrômetro para medidas de diâmetros internos; Micrometros com sensores tipo faca.

63 MEDIDAS COM MICRÔMETROS MICRÔMETRO DIGITAL Este tipo de micrômetro apresenta os elementos básicos do micrômetro convencional, porém permite a realização de medições de menor incerteza de medida, devido à facilidade de leitura no instrumento, diminuindo os erros de medição associados principalmente à construção da escala e paralaxe. A introdução do microprocessador e do mostrador de cristal líquido revolucionou todo o processo de medição com o micrômetro. Estes permitem: Zeragem do instrumento em qualquer posição do fuso permitindo medições absolutas e diferenciais. Introdução de limites de tolerância na memória permitindo identificar se a peça satisfaz ou não as especificações de norma, fabricação, etc Análise estatística de dados informando o número de medições realizadas, máximos e mínimos valores medidos, valor médio e desvio padrão das medições FONTES DE ERROS Uma das fontes de erros mais comuns em medidas com micrômeros é o erro por dilatação acusado pela temperatura impressa pela mão do usuário do instrumento. Pode ser reduzido pela utilização de um isolante no arco do micrômetro ou segurando o mesmo por intermédio de um pedaço de couro. Mais correto ainda seria utilizar um suporte para realizar a medida. A incidência direta da luz solar, proximidade de um forno ou ventilador também são situações a se evitar.

64 64 Outro problema comum é a deflexão do arco, devido à aplicação demasiada de tensão. O emprego da catraca aliada a um movimento lento garante força de medição constante e com isso resultados com pouca dispersão. (deve-se imprimir de 3 a 5 voltas na catraca). Erros de leitura de paralaxe são evitados lendo-se o tambor perpendicularmente. Não se deve mover o micrômetro nem a peça durante a medida CALIBRAÇÃO Antes de iniciar a calibração de um micrômetro ou qualquer outro instrumento, há a necessidade de uma rigorosa inspeção do mesmo no que se refere aos aspectos de conservação, como por exemplo, verificação visual da qualidade da superfície dos sensores, condição de funcionamento do instrumento, por exemplo, catraca, trava folgas no parafuso micrométrico, etc identificando a necessidade ou não de manutenção corretiva prévia. a) Determinação do erro combinado A soma de todos os erros individuais: É feita com a utilização de blocos padrão (é fundamental que os mesmos estejam calibrados). As normas citam as seguintes medidas de blocos padrão : 2,5-5,1-7,7 10,3 12,9 15,0 17,6 20,2 22,8 e 25. Com estes valores é possível detectar a influência dos erros do parafuso micrométrico e do paralelismo para diferentes posições angulares do sensor móvel. b) Erros de paralelismo dos sensores: O erro de paralelismo dos sensores de micrômetros 0 25 mm é determinado pela observação de franjas de interferência geradas através da aplicação de um plano óptico especial entre as superfícies de medição do micrômetro. c) Erro de planicidade dos sensores: O erro de planicidade das superfícies de medição é determinado por meio de um plano óptico colocado de tal maneira que o número de franjas de interferência seja mínima ou que existam círculos fechados. d) Rigidez do arco: A rigidez dos arcos de micrômetros deve ser tal que uma força de 10 N aplicada entre os sensores não provoque uma flexão que ultrapasse valores indicados por normas. O controle é efetuado aplicando-se uma carga de 10N no eixo de medição do arco. e) Força de medição: A força de medição exercida pela catraca sobre a peça a medir deve apresentar valores entre 5 e 10 N. Esta força pode ser medida por um dinamômetro.

65 65 f) Erro de ajuste de zero ou do limite inferior da faixa de impressão: o micrômetro deve apresentar dispositivo para ajuste de zero e em geral, quando para faixas de operação superiores a 25 mm devem vir acompanhados com padrões de dimensões igual ao limite inferior da faixa de operação do instrumento para possibilitar o ajuste da escala. g) Qualidade dos traços e algarismos: O micrômetro deve apresentar os traços de graduação nítidos e uniformes, regulares, sem interrupção e sem rebarbas. À distância entre os centros dos traços não deve ser menor que 0,8 mm. O que evita muitos erros de leitura é a gravação inclinada dos traços da escala sobre o tubo. h) Erros devido ao acionamento da trava: Quando acionada a trava, à distância entre as superfícies de medição (sensores) não deve alterar mais que 2 micrometros. 10. MEDIDORES DE NÍVEL A monitoração de nível de sólidos e líquidos em reservatórios é muito importante em alguns processos. Existem vários tipos de sensores de nível, dependendo do processo e material a ser monitorado SENSORES CAPACITIVOS Monitoram sólidos e líquidos, principalmente para gerar informações de máximo e mínimo níveis. Tem boa sensibilidade e dependendo do sensor tem características de boa resistência à alta pressão e temperatura. A capacitância depende diretamente da área das placas, da distância entre as mesmas e da constante dielétrica. Se duas placas paralelas forem colocadas dentro de um certo recipiente e o nível da substância neste recipiente sofrer alguma variação, a constante dielétrica também irá variar. Como conseqüência direta à capacitância será dependente direta do nível.

66 SENSORES MECÂNICOS Normalmente são constituídos por uma membrana de borracha acoplada a um interruptor. A membrana pressionada ativa o interruptor, que envia um nível lógico específico. Existem sensores de pressão em fita, que enviam sinais digitais proporcionais ao nível à medida que cada interruptor de fita é pressionado quando atingido pelo líquido ou pelo sólido. A monitoração de nível de líquidos condutivos pode ser feita através de circuito eletrônico montado em uma régua fixada na parede interna do recipiente onde se deseja fazer a medida. À medida que o líquido vai aumentando o nível, mais chaves vão sendo fechadas. Estes sinais podem então ser lidos por uma unidade que processa a informação e dá continuidade ao processo. 11. MEDIDORES DE FLUXO A medida de fluxo é expressa em volume ou massa por tempo. Algumas unidades comuns podem ser citadas: 1 galão por minuto: =231 polegadas cúbicas por minuto (in 3 / min) =63,09 centímetros cúbicos por segundo (cm 3 / s) 1 pé cúbico por minuto: (cfm, ft 3 / min) =0, metros cúbicos por minuto

67 67 =471,95 centímetros cúbicos por segundo 1 pé cúbico standard por minuto de ar a 20 C, 1 atm =0,07513 libra-massa por minuto =0,54579 grama por segundo MEDIDOR DE FLUXO COM PRINCÍPIO DO PISTÃO EXCÊNTRICO Pode ser utilizado em situações onde é necessário boa precisão de medição de fluxo continuo. O princípio de operação deste medidor está no eixo que tem a conexão num dispositivo excentricamente montado. Devido a esta excentricidade, o eixo oscila, de modo que a freqüência destas oscilações é proporcional ao fluxo. A interpretação deste sinal pode ser feito, por exemplo, fixando-se um ímã no eixo oscilador e instalando um sensor do tipo Hall no lado externo MÉTODOS DE OBSTRUÇÃO DE FLUXO Alguns tipos de medidores de fluxo são classificados na categoria de instrumentos de obstrução de fluxo. Este tipo de medidores tem seu princípio na queda de pressão causada pela obstrução. A relação de continuidade de um fluxo unidimensional passando por um tubo pode ser Onde µ é a velocidade. Se o fluxo for adiabático e desconsiderando-se o atrito, pode-se utilizar a equação de Bernoulli: Desta forma a queda de pressão p1-p2 é proporcional ao fluxo. Deve ser observado, entretanto que todos os tubos possuem atrito e desta forma perdas estão sempre presentes. A equação apresentada acima calcula um fluxo ideal o qual caracteriza-se pelo fato de ser laminar sem a presença de turbulências (vortex).

68 68 Entretanto nos casos reais isso não acontece e o valor do fluxo calculado deve ser relacionado com o número de Reinolds (Para mais detalhe veja literatura especializada). Um medidor de fluxo baseado em obstrução pode ser visto na figura a seguir: Orifício, pescoço e tubo de venturi. O tubo de Venturi oferece a vantagem de alta precisão e pequena queda de pressão. Pode-se comprovar (em literatura adequada) as equações convencionalmente aplicadas para os tubos de Venturi, orifício e bocal descrito abaixo: Observe que K é o coeficiente de fluxo e depende das áreas A1 e A2 e ainda do coeficiente de perda de carga. Exemplo de um medidor de fluxo comercial.

69 MEDIDORES DE FLUXO POR ARRASTE Neste tipo de medidor de fluxo, existe um componente móvel dentro de um recipiente que se encontra com a tubulação na posição vertical. À medida que o fluxo aumenta o elemento móvel é deslocado. Uma leitura do fluxo pode ser feita diretamente numa escala calibrada no fundo do recipiente MEDIDOR DE FLUXO DO TIPO TURBINA O princípio deste tipo de medidor de fluxo é que o fluído causa a rotação de uma turbina. Quanto maior o fluxo, maior será a freqüência da rotação da turbina. Se for fixado um magneto na mesma, através de um sensor do tipo Hall (por exemplo), é possível ter a medida do fluxo MEDIDORES DE FLUXO BASEADOS EM EFEITO ULTRA-SÔNICO O efeito Doppler é à base de operação deste tipo de instrumento. Um sinal de freqüência conhecida é transmitido através do líquido. Se o sinal é transmitido no mesmo sentido do fluxo, uma pequena aceleração do sinal causada pela velocidade deste fluxo será detectado. Quando enviado um sinal no sentido contrário, se perceberá uma desaceleração do sinal. Este efeito é proporcional à velocidade do fluxo. Medidas muito precisas podem ser feitas utilizando-se este tipo de sensor (verificar manuais de fabricante).

70 MEDIÇÃO DE PRESSÃO INTRODUÇÃO Pressão geralmente é definida como força normal por unidade de área e costuma ser representada por uma série de unidades, como: psi (libras/ polegada quadrada), bar, atmosfera, Pascal, etc. No sistema SI, onde a força é expressa em Newtons e a área em m2, unidade esta conhecida como Pascal. É comum encontrar tabelas relacionando o Pascal com as outras unidades uma vez que certos países adotam outras unidades, apesar de não pertencerem ao Sistema Internacional de Unidades (S.I.). A pressão pode ser medida em termos absolutos ou diferenciais; assim, é comum identificar três tipos de pressão: (a) pressão absoluta, (b) pressão manométrica e (c) pressão diferencial.

71 71 A pressão absoluta é a diferença entre a pressão em um ponto particular num fluído e a pressão absoluta (zero), isto é, vácuo completo. Um barômetro é um exemplo de sensor de pressão absoluta porque a altura da coluna de mercúrio mede a diferença entre a pressão atmosférica local e a pressão zero do vácuo que existe acima da coluna de mercúrio. Quando o elemento mede a diferença entre a pressão desconhecida e a pressão atmosférica local, esta pressão é conhecida como pressão manométrica (gauge pressure). Quando o sensor mede a diferença entre duas pressões desconhecidas, sendo nenhuma delas a pressão atmosférica, então esta pressão é conhecida como diferencial. Existem três métodos principais de medição de pressão; (a) coluna de líquido, (b) medição indireta através da força provocada pela atuação da pressão numa certa área e (c) atuação da pressão num elemento elástico (de área conhecida) e medindo a deformação ou tensão resultante INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRESSÃO COLUNA DE LÍQUIDO A fig. 1 mostra um tubo em U contendo um líquido de densidade ñ. Os pontos A e B estão numa mesma linha horizontal e o líquido do ponto C encontra-se a uma altura h acima de B. Assim, a pressão em A = pressão em B = pressão atmosférica + pressão da coluna de líquido BC = pressão atmosférica +.

72 72 Em certas aplicações, é necessário levar em conta os efeitos da temperatura na densidade do fluído (ou dos fluídos - podem ser usados fluídos de densidade diferente em cada braço do tubo). Assim, a densidade em cada temperatura T pode ser determinada por: Onde é a densidade na temperatura To, â é o coeficiente de expansão cúbica e T é a temperatura atual PRESSÃO QUE ATUA EM ÁREA CONHECIDA - MEDIÇÃO DA FORÇA RESULTANTE Calibrador de Pesos Mortos Este tipo de instrumento mede a pressão desconhecida através da força que ela gera quando atua numa área conhecida. Uma variante desse instrumento - o calibrador de pesos mortos - é padrão numa faixa ampla de medição de pressão. Nesse caso, uma força conhecida (peso padrão) é aplicada através de um pistão (fig. 2) a um fluído e essa pressão é transmitida para o manômetro a ser calibrado. Dependendo da precisão dos pesos-padrão e da área do pistão, é possível conseguir medidas muito precisas. É comum encontrar instrumentos comerciais com erro menor que 0,1 %. Uma fonte de erro considerável é o atrito entre o óleo e o pistão. Assim, costuma-se girar o pistão com os pesospadrão, durante a execução das medidas, para minimizar o efeito do atrito.

73 73 Fig. 2 - Calibrador de pesos mortos; o manômetro a ser calibrado (G) recebe a pressão do fluído, pressão gerada a partir da aplicação de força conhecida (pesos padrão) ao pistão MEDIÇÃO DE PRESSÃO A PARTIR DA MEDIÇÃO DE DEFORMAÇÃO, DESLOCAMENTO Tubo de Bourdon A maioria dos medidores de pressão usada industrialmente emprega um tubo de Bourdon; a forma mais simples de um tubo de Bourdon consiste num tubo de secção oval dobrado de maneira circular, como mostra a fig.3. Uma das extremidades (inferior) é selada presa a um quadrante pivotado. A outra extremidade (superior) está conectada a um sistema dentado que por sua vez está conectado aos dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro. Ou seja, a deformação produzida no tubo é amplificada mecanicamente e transformada em movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada.

74 74 Os tubos são confeccionados com uma variedade de materiais, dependendo da natureza do fluído cuja pressão deve ser medida (bronze, aço inox, Be-Cu,.). O comportamento de tais sensores varia bastante, não só como o resultado do desenho básico, mas também dos materiais envolvidos, mas também devido às condições de uso. As principais fontes de erro são: histerese mecânica do tubo, mudança de sensibilidade devido à temperatura, efeitos de atrito, Comercialmente, são encontrados na faixa de 0,5% a 2% do fundo de escala, normalmente. Tubos de Bourdon podem ser acoplados a dispositivos eletromecânicos, para garantir um sinal elétrico, o que facilita o seu uso em controle de processos, automação. Diafragma/ fole Sensores do tipo diafragma (ou membrana) ou fole representam tipos similares de deformação elástica. Talvez o mais simples manômetro do tipo diafragma é o sensor de Schaffer (fig. 4), que consiste num diafragma de aço inox termicamente tratado, mantido entre dois flanges. A pressão a ser medida é aplicada na parte inferior do diafragma e o movimento resultante no centro do diafragma é transmitido até um amplificador e identificador. Neste tipo de sensor, as propriedades elásticas do diafragma metálico governam a faixa e a precisão do instrumento.

75 75 Uma variante desse tipo de instrumento é o medidor de diafragma do tipo fole l (fig.5); nesse caso, é comum associar um dispositivo eletromecânico para saída elétrica, o que é conveniente não só em medição, mas também em processos de automação e controle.

76 76 A fig. 6 mostra um diafragma (talvez o nome mais correto no caso seja membrana) que poderia estar instrumentado com strain gages; na medida que o elemento elástico deforma, os strain gages colados (na face oposta onde está sendo aplicada a pressão a ser medida) irão variar sua resistência, que será lida por um circuito tipo Ponte de Wheatstone. Diafragma é o elemento elástico que deforma com a pressão a ser medida; na outra face (onde estão colados os strain gages) atua a pressão atmosférica. Cristais Piezoelétricos Um sensor piezoelétrico, como o próprio nome diz, gera um sinal elétrico quando está sendo deformado; de todos os materiais piezoelétricos, o quartzo (Si0 2 ) é um dos materiais mais convenientes para desenvolvimento de transdutores de força, principalmente devido à estabilidade de seu sinal. Os cristais usados em transdutores são cortados segundo um plano de corte, de modo que somente sejam sensíveis às pressões ou forças de cizalhamento em uma determinada direção, como mostra a fig. 7. Fig. 7 - (a) Transdutor de pressão que emprega efeito transversal. (b) Cristal Longitudinal para uso em efeito piezoelétrico.

77 77 Aproveitando estas características do cristal, é possível construir transdutores que medem forças de empuxo, esforços de corte, momentos fletores, etc... Para medir forças de tração, procede-se a uma pré-compressão de um cristal de efeito longitudinal, de modo que a tração atua como agente de descompressão. Existem dois tipos principais de sensores de quartzo usados para medição. O primeiro é do tipo no qual a força aplicada causa o surgimento de uma carga eletrostática, como mostrado anteriormente; normalmente mede-se a voltagem ao invés da carga - através de um amplificador e o sinal resultado pode ser calibrado diretamente em força, por exemplo. O segundo tipo envolve um cristal na forma de elemento ressonante, onde a freqüência é modificada com a força aplicada. É comum encontrar transdutores que usem simultaneamente 3 cristais, medindo simultaneamente forças em 3 deformações (ou acelerações, por exemplo). Configurações desse tipo conseguem desvio de linearidade da ordem de 0,2-0,3%, faixas de pressão de 25Mpa e a resposta é uniforme até 30 khz, com picos de até 100 Khz. Estes dispositivos não se prestam para medições estáticas. Sua principal aplicação é em medições de vibrações. O limite de freqüência inferior é da ordem de 1 Hz, dependendo da sensibilidade. O tipo de amplificador usado com esses sensores é do tipo operacional de alto ganho, com estágio de entrada baseado num MOSFET, adequado para impedância de entrada muito alta. As principais características destes transdutores são: alta estabilidade, faixa de resposta ampla em freqüência, estabilidade boa à temperatura, boa linearidade e baixa histerese. Piezoresistivos Muitos metais e outros materiais sólidos variam a resistividade quando submetidos a tensões mecânicas. Extensômetros de resistência elétrica (strain gages) são um bom exemplo. O interesse particular no Si permitiu construir filmes finos no formato de diafragma, que sofre deflexão quando se aplica uma pressão. Resistores são implantados por difusão nesse diafragma, como mostra a fig. 8 (Kistler Instr. Ltd.).

78 78 O diafragma é um wafer do tipo-n feito com Si - que recebeu quatro pares de resistores por difusão; cada par possui um resistor cuja principal componente é radial e o outro componente é circunferencial (circuito em ponte completa compensa temperatura - como visto com strain gages). Mecanicamente, eles formam uma parte do diafragma, mas estão eletricamente isolados pela junção p-n e desse modo funcionam como os strain gages, ligados num circuito tipo Ponte de Wheatstone. Fig. 8 - Diagrama esquemático de um manômetro com sensor piezoresistivo. Medidor Tipo Pirani Em baixas pressões a condutividade térmica de um gás decresce com a pressão. O manômetro Pirani é um dispositivo que mede baixas pressões através da mudança dessa condutividade térmica. O sensor é construído com fios metálicos que são montados em circuito tipo Ponte; a temperatura desses filamentos poderia ser medida com termopar, mas nesse caso, mede-se a variação de resistência, que é lida justamente através desse tipo de circuito. Um dos filamentos é usado como referência (vácuo/ selado) enquanto o outro está exposto à pressão a ser medida, como mostra a fig. 9.

79 OSCILOSCÓPIO INTRODUÇÃO Os osciloscópios mais modernos são digitais, mas ainda existe um número muito grande de osciloscópios em uso que são construídos a partir de um TRC - tubo de raios catódicos; Pode-se dizer que um osciloscópio de TRC é um voltímetro projetado para mostrar em duas dimensões, numa tela fluorescente, um sinal de tensão dependente ou não do tempo. Assim sendo, na análise de sinais não dependentes do tempo, como, por exemplo, força e deslocamento (acoplado a uma máquina para ensaio de tração), podem-se mostrar a força no eixo Y e o deslocamento no eixo X, caracterizando o instrumento como um medidor do tipo YX. No caso de um sinal dependente do tempo, como por exemplo, o aquecimento e o posterior resfriamento de um termopar (transiente de temperatura), o instrumento estará sendo usado como um medidor do tipo Y-t, onde o eixo de t é ativado por uma base de tempo OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO Conforme foi salientado no item anterior os osciloscópios analógicos funcionam a partir de um tubo de raios catódicos - o chamado TRC; a figura 1 mostra o princípio de funcionamento de um osciloscópio baseado num TRC. O canhão de elétrons (raios catódicos), que emite elétrons na forma de um feixe, consiste de um aquecedor (filamento aquecido), um cátodo, uma grade de controle, um ânodo de foco e um ânodo para acelerar os elétrons. O filamento aquecido é energizado com corrente alternada, na maioria dos casos.

80 80 O número de elétrons que compõem o feixe (quanto maior o número de elétrons maior o brilho na tela) é determinado pelo potencial (tensão) aplicado a um eletrodo chamado modulador, que é localizado na frente (perto) do cátodo. Os elétrons são acelerados pelo TRC mediante uma diferença de potencial (da ordem de a 2.000V) entre o cátodo e o ânodo; o catodo é, geralmente, um cilindro de Níquel. O feixe é focalizado por uma lente eletrônica de modo a formar praticamente um ponto luminoso na tela fosforescente. O foco (botão frontal - potenciômetro) é ajustado mudando o potencial dos eletrodos em relação aos eletrodos anteriores. Ao conjunto constituído pelo emissor de elétrons, modulador, ânodo e lente, denominam-se canhão eletrônico. O ponto luminoso que aparece na tela é produzido quando os elétrons chocam-se contra a tela fosforescente; a tela possui uma pintura (depósito) de uma substância fosforescente semitransparente - silicato de zinco, e produz uma luz de coloração verde quando atingido pelos elétrons. Caso esses elétrons que se chocam com a tela não sejam retirados dela, essa tela ficaria com uma grande carga negativa e novos elétrons não seriam atraídos. Da mesma forma, se os elétrons não retornassem ao catodo, uma carga positiva apareceria, de modo que novos elétrons não poderiam ser emitidos.

81 81 O feixe de elétrons pode ser desviado vertical ou horizontalmente, como mostra a fig. 2. Quando uma tensão é aplicada somente a um dos eixos há somente deflexão parcial e aparecerá uma linha brilhante no centro do TRC. Quando a tensão é aplicada simultâneamente nas duas entradas, mas com polaridades diferentes o feixe de elétrons se move de acordo com as tensões aplicadas. O princípio de uso do osciloscópio é bastante simples: como pode ser visto na fig. 2(a), quando uma voltagem é aplicada e o feixe de elétrons desloca-se verticalmente para cima, significa que uma voltagem V foi aplicada na entrada vertical, criando um campo elétrico E, que atua sobre os elétrons de carga q, e como conseqüência da ação desse campo, surge uma força F que causa a mudança de trajetória. Mudando a polaridade da voltagem, muda a polaridade do campo e conseqüentemente da força, desviando o feixe em sentido contrário.

82 82 Pode-se usar tanto a entrada Y como a entrada X para medir voltagem. Observe que até agora não foi usada a base de tempo no eixo de x (isto é, o eixo de x não foi transformado para medir tempo). Assim, o instrumento pode ser usado para medir voltagem CC ou pico de voltagem CA, porque se uma voltagem alternada (60 Hz - rede elétrica, por exemplo) fosse ligada somente ao eixo de Y, sem a base de tempo ligada, apareceria apenas um traço na vertical (a menos que a freqüência seja muito baixa e o feixe possa ser visto oscilando lentamente). Também podem ser visualizados fenômenos do tipo Y-X usando simultaneamente os dois eixos. Ex: medida de força e deslocamento (num ensaio de tração), temperatura e pressão, etc., desde que os sensores que estão medindo essas grandezas possuam uma saída em tensão. Uma grande maioria das aplicações, no entanto, usa o eixo X como a variável tempo. Nesse caso, é preciso colocar em funcionamento a base de tempo do osciloscópio.

83 83 Quando se pretende usar o eixo de X como tempo, usa-se uma chave de várias posições (para escolha da freqüência) para tal; essa chave coloca em funcionamento um gerador de ondas do tipo dente-de-serra, cujo sinal é aplicado somente nas placas horizontais. Caso fosse aplicado um sinal contínuo, o feixe deslocaria até o fim da escala horizontal e permaneceria lá, não retornando ao início, e conseqüentemente não permitindo a visualização repetida de um sinal alternado. O osciloscópio ainda possui uma série de recursos dentre os quais pode-se salientar: a) trigger = gatilho; ou seja, trata-se de um circuito de disparo, permitindo que o sinal apenas seja visualizado quando atingir um valor mínimo; ou seja, o osciloscópio irá responder a um nível particular de voltagem somente. b) chave AC-DC-GND = ground: terra (saber onde está o zero do sinal); com a chave na posição DC qualquer sinal pode ser lido (inclusive alternado). Com a chave na posição AC um capacitor é colocado em série na entrada, bloqueando a componente CC e permitindo a visualização exclusivamente da componente CA (muito importante quando se pretende visualizar o ripple - ruído de um sinal). c) chave vertical = escolha da escala (ex: 1V/ div; 5V/div; 20V/div). d) chave horizontal/ base de tempo = escolha do período da escala e conseqüentemente da freqüência (ex: 1ms/div; 50 ms/ div; 1s/div). Os osciloscópios analógicos possuem uma limitação significativa; uma vez cessado o sinal, este desaparece da tela (osciloscópios antigos possuem, às vezes, o chamado circuito de remanência; assim, o sinal permanecia na tela por alguns minutos e podia ser fotografado). Entretanto, esses osciloscópios estão perdendo terreno frente aos osciloscópios digitais, que concorrem em preço, qualidade e cujos sinais podem ser armazenados numa memória digital e inclusive podendo ser gravados diretamente em disquete, em alguns casos.

84 OSCILOSCÓPIO DIGITAL Os osciloscópios digitais mais antigos usam o TRC convencional para visualização do sinal, porém o sinal de entrada é simultaneamente digitalizado e armazenado numa memória eletrônica (fig. 5); o sinal na entrada analógica, depois da atenuação e amplificação é amostrado e convertido num sinal digital por meio de um conversor A/ D e então armazenado numa memória digital. A forma de onda original e é reconstruída a partir de uma série de pontos do sinal original que foram armazenados e o circuito realiza uma interpolação dos outros pontos. A fig. 6 mostra um osciloscópio digital, 2 canais, 100 MHz; quando um sinal senoidal é jogado na tela, pode-se simultaneamente ler o valor RMS, valor de pico, valor médio, etc. Nos osciloscópios digitais têm-se todos os recursos encontrados nos Analógicos, porém em vez de chaves rotativas, são usados botões que através de toques são mudadas as escalas de graduações para o nível que se quer medir. Porém, alguns botões rotativos são encontrados, cuja finalidade é dar um ajuste fino, ou deslocar os eixos X ou Y na tela.

85 VERIFICADORES E CALIBRADORES São instrumentos geralmente fabricados de aço, temperado ou não. Apresentam formas e perfis variados. Utilizam-se para verificar e controlar raios, ângulos, folgas, roscas, diâmetros e espessuras TIPOS Os verificadores e calibradores classificam-se em vários tipos: VERIFICADOR DE RAIO Serve para verificar raios internos e externos. Em cada lâminas é estampada a medida do raio. Suas dimensões variam, geralmente, de 1 a 15mm ou de 1/32 a 1/ VERIFICADOR DE ÂNGULOS

86 VERIFICADOR DE ROSCA Usa-se para verificar roscas em todos os sistemas. Em suas lâminas está gravado o número de fios por polegada ou o passo da rosca em milímetros CALIBRADOR DE FOLGAS (APALPADOR) Usa-se na verificação de folgas, sendo fabricado em vários tipos. Em cada lâmina vem gravada sua medida, que varia de 0,04 a 5mm, ou de 0,0015 a 0, CALIBRADOR PASSA-NÃO-PASSA PARA EIXOS OU CALIBRADORES DE BOCA É fabricado com bocas fixas e móveis. O diâmetro do eixo estará bom, quando passar pela parte maior e não passar pela menor.

87 CALIBRADOR-TAMPÃO PASSA-NÃO-PASSA Suas extremidades são cilíndricas. O furo da peça a verificar estará bom, quando passar pela parte menor e não pela maior VERIFICADOR DE CHAPAS E ARAMES É fabricado em diversos tipos e padrões. Sua face é numerada, podendo variar de 0 (zero) a 36, que representam o número de espessura das chapas e arames CONDIÇÕES DE USO As faces de contato dos calibradores e verificadores devem estar perfeitas CONSERVAÇÃO Evitar quedas e choques. Limpar e lubrificar após o uso. Guardá-los em estojo ou local apropriados.

88 ANALISADORES DE ENERGIA INTRODUÇÃO O conceito de Qualidade de Energia está relacionado a um conjunto de alterações que podem ocorrer no sistema elétrico. Uma boa definição para o problema de qualidade de energia é: "Qualquer problema de energia manifestado na tensão, corrente ou nas variações de freqüência que resulte em falha ou má operação de equipamentos de consumidores". Tais alterações podem ocorrer em várias partes do sistema de energia, seja nas instalações de consumidores ou no sistema supridor da concessionária. Estes problemas vêm se agravando rapidamente em todo o mundo por diversas razões, das quais destacamos duas: instalação cada vez maior de cargas não-lineares. O crescente interesse pela racionalização e conservação da energia elétrica tem aumentado o uso de equipamentos que, em muitos casos, aumentam os níveis de distorções harmônicas e podem levar o sistema a condições de ressonância. maior sensibilidade dos equipamentos instalados aos efeitos dos fenômenos (distúrbios) de qualidade de energia. Em alguns ramos de atividade, como as indústrias têxtil, siderúrgica e petroquímica, os impactos econômicos da qualidade da energia são enormes. Nestes setores, uma interrupção elétrica de até 1 minuto pode ocasionar prejuízos de até US$ 500 mil.

89 89 E diante deste potencial de prejuízos possíveis, fica evidente a importância de uma análise e diagnóstico da qualidade da energia elétrica, no intuito de determinar as causas e as conseqüências dos distúrbios no sistema, além de apresentar medidas técnica e economicamente viáveis para solucionar o problema TERMINOLOGIAS E DEFINIÇÕES DOS ITENS DE QUALIDADE Na ótica do consumidor, talvez seja mais simples e adequado utilizarmos simplesmente a palavra "distúrbios" para englobar todos os fenômenos que afetam a qualidade da energia elétrica. Estes "distúrbios" podem ter origem na energia elétrica entregue pela concessionária de energia, ou na rede interna de distribuição (incluindo equipamentos ali instalados) do próprio consumidor. A figura ao lado mostra a origem dos problemas de qualidade de energia, quando analisada sob a ótica do consumidor. Os acadêmicos e especialistas, no entanto, classificam os itens de qualidade ("distúrbios") conforme segue: Transitórios, dos tipos impulsivos ou oscilatórios; Variações de Tensão de Curta Duração, que podem ser instantâneas, momentâneas, ou temporárias; Variações de Tensão de Longa Duração, que podem ser de três tipos: interrupções, subtensões ou sobretensões sustentadas; Desequilíbrios De Tensão, causados por má distribuição de cargas monofásicas, e que fazem surgir no circuito tensões de seqüência negativa;

90 90 Distorções Da Forma de Onda, que podem ser classificadas em cinco tipos: nível CC, harmônicos, interharmônicos, "notching", e ruídos; Oscilações de Tensão, que são variações sistemáticas dos valores eficazes da tensão de suprimento (dentro da faixa compreendida entre 0,95 e 1,05 pu), e que podem ser aleatórias, repetitivas ou esporádicas. Variações da Freqüência do Sistema, que são definidas como sendo desvios no valor da freqüência fundamental deste sistema (50 ou 60Hz). A figura abaixo mostra as formas de onda típicas dos itens de qualidade mais comuns: TRANSITÓRIOS Os transitórios são fenômenos eletromagnéticos oriundos de alterações súbitas nas condições operacionais de um sistema de energia elétrica. Geralmente, a duração de um transitório é muito pequena, mas de grande importância, uma vez que submetem equipamentos a grandes solicitações de tensão e/ ou corrente.

91 91 Existem dois tipos de transitórios: os impulsivos, causados por descargas atmosféricas, e os oscilatórios, causados por chaveamentos. Um transitório impulsivo (normalmente causado por descargas atmosféricas) pode ser definido como uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão, corrente ou ambas, caracterizando-se por apresentar impulsos unidirecionais em polaridade (positivo ou negativo) e co m freqüência bastante diferente daquela da rede elétrica. Em sistemas de distribuição o caminho mais provável para as descargas atmosféricas é através de um condutor fase, no primário ou no secundário, causando altas sobretensões no sistema. Uma descarga diretamente na fase pode gerar também subtensões de curta duração ("sag") e interrupções. Altas sobretensões transitórias podem também ser geradas por descargas que fluem ao longo do condutor terra, causando os seguintes problemas: Elevação do potencial do terra local, em relação a outros terras, em vários kv. Equipamentos eletrônicos conectados entre duas referências de terra, tais como computadores conectados a modems, podem ser danificados quando submetidos a altos níveis de tensão. Indução de altas tensões nos condutores fase, quando as correntes passam pelos cabos a caminho do terra.

92 92 Um transitório oscilatório é caracterizado por uma alteração repentina nas condições de regime permanente da tensão e/ ou corrente possuindo valores de polaridade positiva e negativa. Estes transitórios normalmente são decorrentes de energização de linhas, corte de corrente indutiva, eliminação de faltas, chaveamento de bancos de capacitores e transformadores, etc. Os transitórios oscilatórios de média-frequência podem ser causados por: energização de capacitor "back-to-back" (resultando em correntes transitórias de dezenas de khz), chaveamento de disjuntores para eliminação de faltas e também como resposta do sistema a um transitório impulsivo INTERRUPÇÕES E SAGS As variações de tensão de curta duração podem ser ca racterizadas por alterações instantâneas, momentâneas ou temporárias. Tais variações de tensão são, geralmente, causadas pela energização de grandes cargas que requerem altas correntes de partida, ou por intermitentes falhas nas conexões dos cabos de sistema. Dependendo do local da falha e das condições do sistema, o resultado pode ser uma queda de tensão temporária ("sag"), uma elevação de tensão ("swell"), ou mesmo uma interrupção completa do sistema elétrico. Chama-se interrupção de curta duração quando a tensão de suprimento cai para um valor menor que 0,1 pu por um período de tempo não superior a 1 minuto, o que geralmente ocorre por faltas no sistema de energia, falhas de equipamentos e mal funcionamento de sistemas de controle. Algumas interrupções podem ser precedidas por um "sag" quando estas são devidas a faltas no sistema supridor.

93 93 O "sag" ocorre no período de tempo entre o início de uma falta e a operação do dispositivo de proteção do sistema. Analisemos, por exemplo, o caso de um curto-circuito no sistema supridor da concessionária. Logo que o dispositivo de proteção detecta a corrente de curto-circuito, ele comanda a desenergização da linha com vistas a eliminar a corrente de falta. Somente após um curto intervalo de tempo, o religamento automático do disjuntor ou religador é efetuado. Entretanto, pode ocorrer que, após o religamento, o curto persista e uma seqüência de religamentos pode ser efetuada com o intuito de eliminar a falta. A figura abaixo ilustra uma seqüência de religamentos com valores típicos de ajustes do atraso. Sendo a falta de caráter temporário, o equipamento de proteção não completará a seqüência de operações programadas e o fornecimento de energia não é interrompido. Assim, a maior parte dos consumidores (principalmente os residenciais) não sentirá os efeitos da interrupção. Porém, algumas cargas mais sensíveis (ex: computadores e outras cargas eletrônicas) estarão sujeitas a tais efeitos, a menos que a instalação seja dotada de unidades UPS (no-breaks), que evitarão maiores conseqüências na operação destes equipamentos. Alguns dados estatísticos revelam que 75% das faltas em redes aéreas são de natureza temporária. No passado, este percentual não era considerado preocupante.

94 94 Entretanto, com o crescente emprego de cargas eletrônicas, como inversores, computadores, etc., este número passou a ser relevante nos estudos de otimização do sistema, pois é, agora, tido como responsável pela saída de operação de diversos equipamentos, interrompendo o processo produtivo, e causando enormes prejuízos às indústrias. Uma queda de tensão de curta duração, também chamada de "sag", é caracterizada por uma redução no valor eficaz da tensão, entre 0,1 e 0,9 pu, na freqüência fundamental, com duração entre 0,5 ciclo e 1 minuto SOBRETENSÕES Uma sobretensão de curta duração ou "swell" é definida como um aumento entre 1,1 e 1,8 pu na tensão eficaz, na freqüência da rede, com duração entre 0,5 ciclo há 1 minuto. Os "swells" estão geralmente associados com condições de falta no sistema. A figura acima ilustra um " swell" causado por uma falta fase-terra. Este fenômeno pode também estar associado à saída de grandes blocos de cargas ou a energização de grandes bancos de capacitores, porém, com uma incidência pequena se comparada com as sobretensões provenientes de faltas fase-terra nas redes de transmissão e distribuição. As sobretensões de curta duração são caracterizadas pelas suas magnitudes (valores eficazes) e suas durações. A severidade de um "swell" durante uma condição de falta é função do local da falta, da impedância do sistema e do aterramento. Sua duração está intimamente ligada aos ajustes dos dispositivos de proteção, à natureza da falta (permanente ou temporária) e à sua localização na rede elétrica.