INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS MEDIÇÃO DE TEMPERATURA M!LI VOLTÍMETROS E POTENCIÔMETROS

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1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS MEDIÇÃO DE TEMPERATURA M!LI VOLTÍMETROS E POTENCIÔMETROS Introdução Para a utilização de termopares na medição de temperatura, há a necessidade de se completar o circuito com algum instrumento suficientemente sensível para medir tensões da ordem de alguns milivolts. Esses instrumentos devem ter escala graduada de preferência em graus de temperatura ( C ou F), e para obter-se uma medição precisa, devem possuir algum dispositivo para compensar as variações de temperatura da junta de referencia. Para tanto, são utilizados milivoltímetros e potenciômetros. Milivoltímetros O milivoltímetro consta basicamente de um galvanômetro d'arsonval, especialmente construído para a medição de temperatura com termopares. O principio básico de funcionamento e o mesmo dos instrumentos de bobina móvel usados para medir correntes contínuas, utilizado também nos multímetros, de uso comum na eletrônica. Esses instrumentos são acionados por uma corrente elétrica que percorre uma bobina móvel de forma retangular, e que pode girar em um campo magnético, produzido por um ima permanente (Fig- 1). A força que tende a movimentar a bobina é proporcional ao campo magnético produzido pela corrente. Por outro lado, uma ou duas molas em espiral exercem uma força contraria. O equilíbrio se estabelece quando as duas forças são iguais. Â bobina encontra-se preso um ponteiro, que pode indicar numa escala o valor da corrente que passa ela bobina. Se desejar medir uma tensão com um aparelho desse tipo, devera,via de regra, ser inserido um resistor em seri e com a bobina, tal que: Emax = Imax. R, em que Emax é a máxima tensão a ser medida, Imax a corrente; que causa deflexão total do ponteiro, e R a resistência total correspondente a bobina e ao resistor em serie. 1

2 Se a fonte de tensão se encontrar a uma certa distancia do aparelho (como é o caso de termopares), a resistência dos fios de ligação pode introduzir um erro, que deve ser considerado. Suponhamos, p.ex., que queremos medir uma tensão E, e que a resistência de cada fio de ligação seja r/2, sendo portanto a resistência total dos dois fios igual a r (Fig.2). a tensão medida será: Num caso pratico, R = 500 ohms, e r = 5 ohms. Teremos: O milivoltimetro indicara portanto cerca de menos que o valor verdadeiro. A fim de sanar esse inconveniente, pode-se calibrá-lo com um resistor de 5 ohms colocado em serie. Nesse, caso, ele indicara o valor correto da tensão, desde que a resistência dos fios de ligação seja de 5 ohms. Caso essa resistência seja diferente, poderá novamente haver um erro na medição. Alguns instrumentos desse tipo podem ser fornecidos com um reostato de calibração em serie, e que poderá ser ajustado para que a indicação seja correta, para qualquer resistência externa compreendida entre certos limites. No caso de se medir temperatura com um termopar, existe a necessidade adicional de compensar-se as variações da f.e.m. da junta de referencia. Essa compensação e normalmente feita através de um bimetal ligado ao suporte da moía do galvanômetro (Fig. 3) Quando a temperatura da junta de referencia diminui, a f.e.m. do circuito termoelétrico aumenta. Com isso, aumenta a corrente no circuito, e o ponteiro devera indicar um valor mais alto. Entretanto, o bimetal se dilata e move a ponta da mola, fazendo com que o ponteiro permaneça na posição original. Em geral, um dispositivo desse tipo consegue compensar de maneira eficiente variações da temperatura ambiente de 0 C a 50 C. 2

3 A precisão de um milivoitímetro industrial é da ordem de 1 a 2%, não se computando erros adicionais devidos ao termopar e aos fios de extensão. O menor "span" disponível e de cerca de 12 a 15 mv, o que corresponde a uma escala de 0 C a 300 C, aproximadamente, para um termopar tipo J. A escala não e perfeitamente linear, visto que a característica f.e.m. x temperatura dos termopares também não o é. Os milivoitímetros podem ser fornecidos como indicadores ou registradores, podendo também ser dotados de contatos elétricos para controle liga- desliga ou para alarme. Não são normalmente disponíveis com controle pneumático, visto que não ha força suficiente para acionar o mecanismo. Quando comparados com os potenciômetros apresentam como vantagem a simplicidade e o custo reduzido. Como desvantagens, podem ser citadas a baixa precisão, a influencia da resistência dos fios (e sua eventual variação com a temperatura), e a sensibilidade a vibração. Potenciômetros Para medições de maior precisão, e que sejam ao mesmo tempo independentes da resistência dos fios de ligação, utilizam-se os potenciômetros, nos quais a medição da f.e.m. desconhecida se faz por comparação com uma outra, conhecida. Na fig. 4, suponhamos inicialmente que a parte de baixo, incluindo Ex e G esteja desligada, A corrente I vale: Suponhamos ainda que temos possibilidade de conhecer essa corrente I com grande precisão, sendo a mesma fornecida pela bateria E, e ajustada para um valor prefixado através do reostato R. Entre A e B teremos uma tensão: Ligamos agora a f.e.m. desconhecida e um galvanômetro G. Esse ultimo deve ter um "zero" central, com um movimento do ponteiro para a direita ou para a esquerda, 3

4 dependendo da corrente que o atravessa, entretanto, não é essencial que o mesmo esteja calibrado com precisão, quanto a indicação do valor da corrente. Se Ex = Ey, os pontos A e C estarão no mesmo potencial, e portanto não passara corrente no galvanômetro, ou seja, ig = 0. Se Lx> Ey, Í9>0; se Ex < Ey, ig<0. Movendo-se o cursor de R2, pode-se chegar ao equilíbrio (ig = 0). Podemos colocar uma escala indicando o valor de Ey, junto ao resistor R. O cursor indicará o valor de Ey; visto que, no, equilíbrio, Ex = Ey, o valor indicado será também igual a f.e.m. desconhecida Ex. Note-se que a resistência dos fios de Iigaçao não tem, praticamente, nenhuma influência no funcionamento, visto que, no equilíbrio, a corrente e zero, e não ha queda de tensão nos fios. Exemplo 1 Suponhamos que a bateria E tenha uma f.e.m. de 1,5 volts quando nova; entretanto, com o envelhecimento, esse valor pode cair até 1,2 volts. Suponhamos, ainda, que a faixa de medição desejada seja de 0,2 a 0,6 volts, e que a corrente I deva ser de 5 ma. Vamos calcular os valores R, R, R e R. O reostato R e percorrido pela corrente de 5 ma, e deve produzir uma queda de tensão variável de 0,3 a 0 volts, quando a f.e.m. da bateria varia de 1,5 a 2 volts, respectivamente. Sua resistência deve ser R = 0,3V/0,005A = 60 ohms. O cursor R deve estar completamente a esquerda, quando Ex e Ey forem iguais ao extremo inferior da faixa de medição, ou seja, 0,2 volts. Nessas condições, a tensão Ey se desenvolve somente no resistor R. A resistência R vale portanto R = 0,2V/0,005A = 40 ohms. O cursor R deve estar completamente a direita, quando Ex e Ey forem iguais ao extremo superior da faixa de medição, ou seja, 0,6 volts. A tensão no resistor variável R é igual portanto ao "span" do instrumento, ou seja, 0,6-0,2 = 0,4 volts. O valor de R será: R = 0,4V/0,005A = 80 ohms. O conjunto, R, R e R terá, constantemente, uma tensão de 1,2 volts entre seus extremos. Qualquer variação será compensada agindo-se sobre o valor do reostato R. Nessas condições, R + R + e R = I,2V/0,005A = 240 ohms. Visto que já conhecemos R = 40 ohms e R = 80 ohms, e o valor de R pode ser obtido por diferença; R = 240 ~ = 120 ohms. Vamos agora introduzir alguns detalhes a mais no circuito: 4

5 a) Indicamos que a tensão desconhecida provem de um circuito termoelétrico; b) Incluímos mais duas resistências, com os valores indicados; c) Incluímos uma chave "S" e uma pilha padrão, bem como uma resistência de proteção R. A pilha padrão, também chamada "pilha Weston" é um dispositivo que mantém entre seus terminais uma tensão de 1,019 volts, durante um período de vários anos, desde que a corrente fornecida seja intermitente, e não ultrapasse alguns μa. Por outro lado, a bateria E é uma pilha seca ou pilha comum de lanterna, cuja f.e.m. diminui com o tempo, e com duração limitada. Vamos supor ainda que a condição para que o circuito esteja equilibrado é que a corrente através de R, R e R seja de 4 ma, e que a corrente através de R e R seja de 2 ma. Para tanto, basta que 2 ( R + R + e R ) = R + R. R, R, R, R e R serão feitas com fio de constatan ou manganina, cuja resistência elétrica não varia com a temperatura. Antes de efetuar a medição da f.e.m. desconhecida, calibramos ou "standardizamos" o aparelho, passando a chave para a posição indicada na figura. Se a corrente através de R for de exatamente 2 ma, a tensão em R será de 2.509,5 = 1019 mv = 1,019 volts, que é igual à f.e.m. da pilha padrão. Nessas condições, a corrente através do galvanômetro G devera ser igual a zero. Caso G não indique zero, ajustamos R ate que i = 0. Teremos então certeza de que a corrente através de R e R é 2 ma. Dado que 2 ( R + R + e R ) = R + R, a corrente através de R, R e R será de 4 ma. Passamos agora chave S para a outra posição, e podemos efetuar a medição agindo sobre o cursor de R. Os valores de R, R e R são escolhidos de acordo com a faixa de medição do aparelho. Tal como descrito, o circuito (com algumas variações) é utilizado em aparelhos portáteis, para medições intermitentes. Aparelhos para medição continua em processos industriais apresentam alguns detalhes a mais. 5

6 1. O conjunto E e R é modernamente substituído por uma fonte de tensão continua estabilizada, capaz de fornecer (no caso) 1,029V e 6 ma. Não há mais necessidade.da pilha padrão e circuito associado. 2. O problema da compensação da junta fria pode ser resolvido fabricando-se R, não mais com fio de constantan ou manganina, conforme citado anteriormente, mas com fio de cobre (a resistência não será mais de 5 ohms). e o "resistor de compensação da junta fria". A condição de equilíbrio é: 2. R - E + E = 4 (R + a. R ). A resistência R será dimensionada de tal forma que ao variar a temperatura ambiente, o valor de R varie de tal maneira que compense exatamente a variação da tensão da junta fria E. Ter-se-à então uma correspondência biunívoca entre a tensão da junta quente E e a, e a escala do instrumento poderá ser calibrada diretamente em graus de temperatura. 3. A resistência R é substituída por uma combinação em paralelo de um potenciômetro cor uma resistência que é independente da faixa de medição do instrumento (devido a dificuldade de fabricação de potenciômetros com diversos valores de resistência, um para cada faixa de medição) com uma resistência fixa em paralelo (essa, podendo variar). O conjunto terá uma resistência equivalente igual ao valor de R calculado anteriormente. 4. A alteração mais importante e o fato de que o galvanômetro e substituído por um amplificador, que aciona um "motor de balanço", fazendo-o girar num sentido ou no outro, conforme o desequilíbrio seja positivo ou negativo. Esse motor move o cursor do potenciômetro, tendendo a restaurar o equilíbrio; ao mesmo tempo, ele move também o ponteiro ou a pena do instrumento. O esquema abaixo (fig. 6) e o básico. O potenciômetro que trabalha sob esse principio é chamado "balanceamento continuo. O esquema de blocos seria o da figura 7. Dadas as dificuldades de construção de amplificadores de C.C., prefere-se em geral inicialmente converter o sinal de desequilíbrio de C.C. num final de C.A. Tal tarefa 6

7 pode ser por meios eletrônicos e mecânicos. Um mecânico é o do conversor de lamina vibrante. (Fig. 8) Uma lamina vibra 60 vezes por segundo, fazendo com que a corrente de desequilíbrio passe pelo primário de T, alternadamente num sentido e no outro. No secundário de T teremos uma "onda quadrada", com a fase indicada na figura 8. Se a corrente de desequilíbrio fosse em sentido contrario, a "onda quadrada" teria a polaridade oposta. O sinal de saída de T e amplificado sucessivamente por um amplificador de tensão e um amplificador de potencia, esse ultimo por sua vez alimentando um "discriminador". Uma das execuções do "discriminador" pode ser vista na figura 9. Conforme a fase do sinal de entrada, passara corrente pela bobina B (para cima) ou pela bobina B (para baixo). As bobinas B e B constituem os enrolamentos de um motor, constituído por um ima permanente, montado dentro de um recipiente contendo um óleo de alta viscosidade. Ao passar corrente por B, o núcleo se magnetiza conforme mostra a figura, e o rotor gira no sentido horário. Ao passar corrente por B, a magnetização do núcleo será no sentido contrario, girando o rotor no sentido anti-horário, No equilíbrio, não passa corrente nem por B nem por B ; o núcleo deixa de estar magnetizado, e o ima deixa de girar. Ligados ao ima, temos o cursor de potenciômetro e o ponteiro ou pena do instrumento. Potenciômetros industriais podem ser fornecidos na forma de: a) Indicadores analógicos, com escala retilínea, de tambor, ou circular; b) Indicadores digitais, em que é feita uma linearização do sinal do termopar, sendo a tensão resultante comparada com uma tensão de referencia, utilizando-se para tanto técnicas digitais; Tanto os indicadores analógicos como os digitais podem ser acoplados a uma chave múltipla, que permite que diversos termopares possam ser ligados em seqüência a um só indicador, a critério do operador. c) Registradores de carta de gráfico de rolo, para 1 ou 2 pontos (nesse ultimo caso, utilizam-se circuitos separados para cada pena) (Fig. 11); 7

8 d) Registradores de carta de gráfico de rolo, para múltipíos pontos (em geral de 2 a 24 pontos). Nesses instrumentos, o circuito de medição é ligado seqüencialmente aos diversos termopares, mediante uma chave seletora movida por um motor, e os diversos pontos de equilíbrio são carimbados com tintas de cores diferentes, ou com símbolos diferentes, sobre a mesma carta de gráfico; e) Registradores de carta de gráfico circular (Fig. 12). 8

9 Os instrumentos descritos podem ser dotados de contatos (micro-interruptores ou ampolas de mercúrio) para alarme ou controle, controladores eletrônicos e pneumáticos. Bastante útil e também a proteção contra falha do termopar, incluída em alguns aparelhos. Nesse caso, quando, por algum motivo, o circuito do termopar e aberto por queima do próprio termopar, falha dos fios, ou nas conexões), a pena ou ponteiro se desloca para o fim da escala ("upscale burnout"), ou, opcionalmente, para o inicio da escala ("downscale burnout"). Em relação aos miiivoitímetros, os potenciômetros de balanceamento continuo apresentam como vantagens a maior precisão, resistência a vibração, não dependência das resistências dos fios de extensão (o limite imposto pelos fabricantes e da ordem de 200 a 1000 ohms), e facilidade de mudança de escala, (alem da própria escala, basta trocar R, R e R ). O custo e naturalmente maior que o dos míiivoitímetros. A precisão que pode ser alcançada e da ordem de 0,25% da faixa de medição. 9