AUTOMAÇÃO / Instrumentação

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1 Imprimir AUTOMAÇÃO / Instrumentação 04/08/ :17:36 Instrumentação Básica - Parte 1 - Medição de Temperatura A medição de temperatura se confunde com o próprio surgimento da Ciência e dos métodos científicos. Rogério Souza da Mata 1. Histórico da medição de temperatura A medição de temperatura se confunde com o próprio surgimento da Ciência e dos métodos científicos. Há registros de que um homem chamado Herão tenha construído algo parecido com um termômetro no século II a.c. Registros mais modernos remontam ao século XVI, quando o astrônomo Galileu Galilei teria idealizado o primeiro termômetro moderno. Mas tudo indica que foi somente a partir do século XVII que aparelhos mais parecidos com os termômetros atuais tenham realmente surgido. O médico italiano Santorre Santoria construiu, em 1611, um termoscópio semelhante ao que já era conhecido por Filon de Bizâncio, 200 anos antes de Cristo. Outro termômetro à base de líquido foi construído por Jean Rey, um médico francês, em Ole Christensen Römer, astrônomo dinamarquês, propôs seu dispositivo por volta de Entretanto, o primeiro termômetro de mercúrio utilizável na Ciência foi construído pelo físico alemão Gabriel Daniel Fahrenheit em Em 1742 o astrônomo sueco Anders Celsius propôs a escala centesimal. A partir daí a medição de temperatura não parou mais de evoluir, movida pela necessidade incessante de medir temperaturas cada vez mais baixas (ou mais altas) à medida que a sociedade se industrializava cada vez mais. Atualmente, os modernos transmissores de temperatura usados na indústria são verdadeiros computadores, que permitem a conexão de vários tipos de sensores, permitem trabalhar com diversas escalas e possuem inúmeras funções de diagnóstico. Se você (leitor) tem dúvidas sobre a importância da medição de temperatura na automação, veja a figura 1. Podemos ver por esse gráfico que a medição de temperatura é a segunda mais usada em controle de processos. F1 - Variáveis de processo na indústria 1.1Escalas de temperatura Há diversas escalas de temperatura em uso atualmente mas, para fins científicos e industriais, as três mais importantes são: Celsius, Fahrenheit e Kelvin. A unidade básica de temperatura é o kelvin (K).

2 Um kelvin é rigorosamente definido como os 1/273,16 avos da temperatura do ponto triplo da água (o ponto onde água, gelo e vapor de água coexistem em equilíbrio). A escala Celsius é a mais usada no dia-a-dia, enquanto a escala Fahrenheit é muito usada nos EUA. Outra escala que merece menção é a escala Rankine, assim chamada em homenagem ao engenheiro e físico escocês William John Macquorn Rankine, que a propôs em Assim como o Kelvin, o zero Rankine é o zero absoluto, mas os graus Fahrenheit são utilizados. Assim, um grau R equivale a um grau F, mas zero grau R vale -459,67 graus F. Na tabela 1 podemos ver algumas informações sobre essas escalas. T1 - Pontos de referência de algumas escalas de temperatura mais usadas T2 Fórmulas para conversão entre diversas escalas Fonte: 2 Tipos de sensores Veremos a seguir os tipos mais comuns de sensores de temperatura, com e sem contato. 2.1Sensores com contato Sensores de temperatura com contato medem a sua própria temperatura e pressupõem que os dois corpos (sensor e objeto medido) estejam em equilíbrio térmico. Como você já pode imaginar, há muitas fontes de erro, especialmente no caso de medição de temperatura de superfícies, principalmente em movimento. Quando esse tipo de problema inviabiliza uma medida de qualidade, o usuário pode apelar para o uso de sensores sem contato. Esse tipo de sensor é cada vez mais usado nas mais diversas aplicações. Vejamos a seguir um apanhado geral dos tipos mais comuns de sensores de temperatura por contato. Termopares: estão entre os mais usados, com uma ampla gama de aplicações. São baseados no efeito Peltier-Seebeck, ou efeito Termoelétrico, que ocorre quando dois metais diferentes formam uma junção. Essa junção produz uma tensão relacionada com a diferença de temperatura entre essa

3 junção e uma outra junção de referência. Os termopares são classificados por letras (B, C, J, K, etc.) de acordo com o material da junção e com a faixa de temperatura de uso. Por exemplo, um termopar do tipo K, feito de Cromel (+) e Alumel (-), opera em uma faixa de 95 a 1260 oc. Há diversos cuidados a serem tomados com os termopares, entre os quais, usar cabos especiais, verificar cuidadosamente as conexões, proteger o sensor contra interferências eletromagnéticas, etc (figura 2). F2 - Termopar Termistores: são componentes de estado sólido feitos de materiais sintéticos especiais, cuja resistência varia com a temperatura de uma forma bastante comportada e reprodutível. Há dois tipos básicos: se a resistência aumenta com o aumento da temperatura, é do tipo PTC (Positive Temperature Coefficient). Se a resistência diminui com o aumento da temperatura, é do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient). Para medir a temperatura com um termistor é preciso que uma pequena corrente contínua circule por ele. A queda de tensão sobre o termistor será então uma função da temperatura. Os termistores são muito usados em termômetros digitais caseiros, sendo revestidos com uma proteção plástica ou metálica (figura 3). F3- Termistores comerciais Termômetros à base de líquido ou gases: são os mais comumente usados para medir a temperatura ambiente (do ar), a temperatura do corpo ou a temperatura em um forno de padaria. São feitos com um bulbo cheio de mercúrio, álcool colorido (figura 4) ou mesmo algum gás. O bulbo se prolonga através de um capilar, graduado com uma escala usualmente em Celsius ou Fahrenheit. Ao usar esse tipo de termômetro para medir temperatura ambiente, é importante mantê-lo protegido da luz e de correntes de ar que podem falsear a medida. O funcionamento desse tipo de sensor se baseia na dilatação do líquido ou do gás com o aumento da temperatura. F4- Exemplos de termômetros usando líquidos RTD (Resistance Temperature Detector): são os sensores baseados no princípio da mudança de resistividade dos metais puros com a variação da temperatura. Estão entre os sensores mais simples de usar e ao mesmo tempo mais precisos. Sua característica mais marcante é sua resposta praticamente linear do coeficiente positivo de variação (a). Os metais tipicamente incluem Níquel (Ni) e Cobre (Cu), mas os de Platina (Pt) são os mais utilizados graças à sua precisão, estabilidade e faixa de operação. O popular sensor de temperatura PT100 é um RTD de Platina, cuja resistência nominal a 0 oc é de 100 W, variando cerca de a=0,385% por C. Há também o PT1000 cuja resistência nominal

4 é de 1 kw. Para medir temperatura com um PT100 é preciso usar um circuito eletrônico para medir a variação na sua resistência, usualmente uma ponte de resistências. Esse tipo de sensor também é bastante emprado nos medidores digitais em geral, seja para termômetros clínicos, seja para medidores industriais ou comerciais, como aqueles utilizados em câmaras frigoríficas ou balcões resfriados de supermercados (figura 5). F5- Esquema construtivo de um RTD comercial Termômetros bimetálicos: os populares termostatos bimetálicos, baseados na diferença entre os coeficientes de dilatação de metais diferentes. Como os metais vão se dilatar causando diferença no seu comprimento, é possível controlar um contato elétrico do tipo liga-desliga. Os populares piscapiscas natalinos usam muito esse tipo de dispositivo. Quando a junção metálica está fria, os metais estão encostados um ao outro. A corrente elétrica que passa pela junção metálica acende as lâmpadas e ao mesmo tempo aquece a junção. À medida que ela esquenta, os metais se dilatam até abrirem o contato (figura 6). Ao abrir o contato, a corrente elétrica é interrompida, fazendo com que as lâmpadas se apaguem. Ao mesmo tempo, sem corrente elétrica, os metais esfriam, tornando a encostarem e recomeçando o ciclo esquenta (aceso), esfria (apagado). F6- Esquema de termostato bimetálico Semicondutores: um diodo de silício (junção PN) polarizado reversamente apresenta uma tensão proporcional à temperatura da sua junção. Nos equipamentos eletrônicos, inclusive industriais, é muito comum usar uma junção PN polarizada reversamente para medir a temperatura ambiente. Entretanto, os modernos sensores de temperatura baseados em semicondutor são fornecidos na forma de um circuito integrado. Muitas vezes eles incluem funções que os tornam verdadeiros termômetros digitais em uma única pastilha. Podem oferecer grande precisão e estabilidade, mas a faixa de temperatura é bastante limitada, variando de 50 a oc. F7 - Termômetro semicondutor Tintas e outros materiais sensíveis à temperatura: Como podemos ter uma indicação simples sobre a variação de temperatura de um objeto? Se quisermos saber apenas a ordem de grandeza da temperatura, ao redor da temperatura ambiente, temos que usar um termopar ou um RTD? Não. Atualmente há diversos materiais sensíveis à temperatura que podem ser usados na fabricação de etiquetas ou serem utilizados para revestir dispositivos simples. Imagine uma etiqueta colada em um

5 pacote de carne congelada. Essa etiqueta pode indicar, através da mudança de cor de verde para vermelho, se a temperatura durante o transporte ou a conservação da carne ultrapassou um certo limite máximo permitido. 2.2 Sensores sem contato Há muitas utilizações para os sensores de temperatura sem contato, especialmente onde os sensores com contato não podem ser usados ou não são adequados. Entretanto, ainda há pouco conhecimento sobre seu princípio de funcionamento e suas aplicações. Esse tipo de sensor é baseado na emissão espectral de energia dos corpos. Cada corpo radia energia em uma determinada faixa do espectro. Algumas faixas representam energia térmica que pode ser medida e analisada. Apesar da indústria ainda não ter padronizado amplamente o uso desse tipo de medidor, vemos um crescimento contínuo de aplicações empregando tanto análise de imagens térmicas quanto medição pontual de temperatura. A análise de imagens térmicas corresponde a tirar uma foto, capturando o espectro de energia térmica do corpo (objeto). Pode-se observar que partes com temperaturas diferentes aparecem em cores diferentes (figura 8). F8 - Espectro de energia Outro tipo de equipamento usa feixes de laser para medir a temperatura em um único ponto, não usando portanto a imagem do objeto medido. Todos os sensores que medem a temperatura à distância, isto é, sem contato, usam uma lei da Física baseada nos estudos do físico alemão Max Planck: a lei da emissão de radiação térmica. O corpo humano possui uma temperatura ao redor de 310 kelvin (36,85 oc) e emite radiação no infravermelho longo. Vejamos a seguir os principais tipos de sensores que usam esse princípio. Termômetros de radiação: incluem os pirômetros, as câmeras de imagens térmicas (que podem medir temperatura ou não), os termômetros infravermelhos e os scanners térmicos. Todos são baseados nas leis de Planck e, em geral, medem apenas uma faixa estreita do espectro de energia, geralmente ao redor do infravermelho. Recentemente, a comunidade médica padronizou e adotou um tipo de termômetro que usa infravermelho para medir a temperatura do corpo humano a partir do ouvido. Uma pequena sonda (ponta do termômetro) é encostada no ouvido e mede a radiação infravermelha emitida. Esse ponto fornece uma medida bastante confiável da temperatura corporal.

6 F9 - Imagem térmica do corpo humano Geradores de imagens térmicas: esses equipamentos basicamente medem a temperatura do objetoalvo, formando uma imagem bidimensional numa única faixa do espectro. A partir dessa imagem bidimensional eles produzem uma imagem colorida cujas cores não estão relacionadas ao espectro de emissão do objeto mas, sim, a uma escala de temperatura definida pelo equipamento. Esse tipo de imagem pode ser então analisada visualmente e tem sido muito utilizada na medicina e na engenharia de manutenção. Com uma imagem semelhante à da figura 9, um médico pode identificar problemas clínicos. Da mesma forma, um engenheiro mecânico, ao analisar a imagem térmica de uma máquina, pode identificar áreas que estão sofrendo aquecimento excessivo e portanto necessitam de manutenção preventiva. Da mesma forma, um engenheiro eletricista poderia analisar a imagem térmica de uma subestação distribuidora de energia, ou de um transformador, e encontrar pontos quentes com potencial de gerar problemas futuros (figura 10). F10 - Uso de imagens térmicas em manutenção Termômetros de razão espectral: esse tipo de termômetro mede a radiação térmica em duas faixas do espectro e calcula uma razão entre as duas faixas de emissão. Pirômetro óptico: esse é um velho conhecido das aplicações industriais e comerciais que tem sido constantemente aperfeiçoado. Seu princípio de funcionamento também é baseado na emissão de energia térmica pelos corpos. Ele mede a radiação infravermelha cuja intensidade é uma função da temperatura do corpo medido. Os circuitos internos do pirômetro basicamente trabalham como o olho humano (figura 11), comparando a cor do objeto medido (na verdade o comprimento de onda da radiação captada) com a cor de um filamento interno ao equipamento, cuja temperatura é conhecida. A partir dessa comparação o aparelho fornece a temperatura. A energia emitida pode ser calculada através da relação de Stefan-Boltzmann, também conhecida como lei da quarta potência: W = kto4 onde: W = energia radiante emitida de um corpo negro por unidade de área. k = constante de Stefan-Boltzmann. T o = temperatura absoluta. Esta equação só é válida para corpos negros (radiadores ideais) e radiações térmicas.

7 F11 Mecanismo de funcionamento e exemplo de pirômetro óptico Sensor de temperatura com fibra óptica: esse tipo de sensor é, na verdade, um dispositivo auxiliar dos termômetros de radiação. Um sensor de captação é colocado na ponta de uma fibra e aproximado do objeto ou corpo em que se deseja medir a temperatura. Esse sensor, juntamente com a fibra, captam e transportam a radiação até o elemento sensor propriamente dito do termômetro de radiação. 3. Automação industrial e medição de temperatura Há atualmente uma grande diversidade de equipamentos no mercado. Normalmente os transmissores permitem a conexão de sensores de temperatura de vários tipos, tais como termopar, RTD, semicondutores dentre outros. Para as aplicações em automação industrial podemos observar normalmente três linhas de transmissores (figura 12): Transmissores à prova de explosão e à prova de tempo: normalmente utilizados em aplicações críticas, com alta e média performance, possuem carcaça com duplo compartimento, separando eletrônica e sensores, dando robustez, segurança e confiabilidade. Possuem indicação local, autodiagnose, comunicação digital, ajuste local e são empregados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, diferencial, sensor backup, entre outros. Transmissores para painel, montagem em trilho DIN: é uma boa escolha quando o objetivo principal é apenas a monitoração, permitindo fácil instalação. Há inúmeras opções para ambientes fechados e conexões com sensores. Têm alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando segurança e confiabilidade. Possuem autodiagnose, verificação de sensor, comunicação digital e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média e diferencial, dentre outras. Transmissores para montagem em cabeçote (poço): é a primeira escolha quando o foco principal é a montagem em cabeçotes com baixo custo, permitindo fácil instalação e conexões com sensores imersos no processo. Em termos de protocolos de comunicação, como com qualquer outro equipamento de campo moderno, o predomínio no mercado é por protocolos abertos como o 4-20 ma+hart, Foundation Fieldbus e Profibus PA. F12 - Exemplo de transmissores industriais de temperatura

8 Na figura 13 podemos ver com mais detalhes um diagrama de blocos para um transmissor de temperatura genérico. Podemos observar a conexão à esquerda, permitindo a ligação de vários sensores de 2 fios ou um sensor a 3 ou 4 fios. Há um estágio de condicionamento e filtragem do sinal, bem como conversão A/D de alta resolução: 16 a 24 bits. O sinal digital é então isolado e tratado pela CPU, que pode calcular a temperatura em várias escalas, compensar ruídos, verificar a qualidade do sinal dentre outras características. O valor da temperatura é enviado ao sistema de controle e supervisão através de um sinal analógico (4-20mA), digital (Fieldbus) ou via rádio (wireless). F13 - Diagrama de blocos de um transmissor industrial de temperatura Os transmissores de temperatura modernos possuem normalmente as seguintes características: Entrada universal com ampla escolha de sensores: RTDs, Termopares, Resistências, mv e Sensores Especiais. Medição simples ou diferencial: 2, 3 ou 4 fios Isolação do campo para o sistema de controle através de acopladores ópticos ou similares. Compensação de junta fria para termopares. Compensação de resistência de linha para RTDs, PTCs, NTCs e outros sensores resistivos. Linearização de sensores, com tabelas definidas pelo usuário. Pelo menos 0,02% de precisão básica. Configuração de escalas e faixas de trabalho. Bloco PID e gerador de set-point. Detecção de Burn-out (falha no sensor). Display rotativo. À prova de explosão e tempo e/ou intrinsecamente Seguro. Alta imunidade a EMI e RF. Carcaça com duplo compartimento Baixo custo de manutenção Autodiagnóstico remoto. Somente um modelo de sobressalente para estoque: um único transmissor para qualquer aplicação e ampla faixa e tipo de sensores. Baixo custo de instalação. Configuração remota ou local e fácil calibração. Redução dos custos de produção. Redução do tempo de paradas. Redução da variabilidade dos processos: economia de matéria-prima e melhor qualidade final do produto devido à alta exatidão e estabilidade. Máximas e mínimas ao redor do mundo África Al'Aziziyah, Líbia, 57,7 oc, 13 de Setembro de Ifrane, Marrocos -23,9 oc, 11 de Fevereiro de Antártida Hope Bay, 14,6 oc, 5 de Janeiro de Vostock I, -89,2 oc 21 de Julho de Ásia Tirat Tsvi, Israel, 53,9 oc, 21 de Junho de Verkhoyansk, Sibéria, -69,8 oc, 7 de Fevereiro de Austrália Oodnadatta, 50,7 oc, 2 de Janeiro de Charlotte Pass, -23,0 oc, 29 de Junho de Europa Sevilha, Espanha, 50,0 oc, 4 de Agosto de Ust-Shchugor, Rússia, -55,0 oc (sem data disponível) América do Norte

9 Death Valley, USA, 56,7 oc, 10 de Julho de Snag, Canadá, -63,0 oc, 3 de Fevereiro de América do Sul Rivadavia, Argentina, 48,9 oc, 11 de Dezembro de Sarmiento, Argentina, -33,0 oc, 1 de Junho de Aplicações de medição de temperatura Como garantir que a temperatura em todos os corredores de um Shopping Center estará adequada para os visitantes? Distribuindo sensores de temperatura para cada ponto desejado. Esses sensores serão conectados a um sistema central que vai controlar o fluxo e a temperatura do ar para cada ponto desejado: corredor, loja etc. A supervisão e o controle de temperatura estão presentes nas mais diversas aplicações, desde automação industrial, automação rural (chocadeiras em uma granja) até as mais complexas plantas químicas e nucleares. 4.1Processos industriais em geral Imagine quantos pontos de medição de temperatura devem existir na usina nuclear de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro (figura 14). A supervisão e o controle de temperatura estão por toda parte. Diversos tipos de sensores com e (sem contato) são usados, desde um simples termômetro de parede até uma câmera ou scanner térmico para análises mais sofisticadas das imagens dos equipamentos. F14 - A medição de temperatura está por toda a planta 4.2Controle de temperatura Vejamos na figura 15 um exemplo de controle de temperatura de produto em tanque usando vapor. Esse tipo de controle é bastante comum em diversos segmentos da indústria. O vapor entra e é separado do condensado através de um separador especial. Uma válvula de controle varia a quantidade de vapor que é injetada no tanque, de acordo com a temperatura lida pelo sensor imerso no produto. Uma malha PID simples pode manter a temperatura do produto estável para uma ampla faixa de temperaturas e vazões do produto. F15 - Exemplo de controle de temperatura de tanque, com sensor imerso 5.Conclusão Ao especificar um transmissor de temperatura é fundamental optar pelo modelo mais adequado, seja ele de campo, painel ou de cabeçote. Na figura 16 podemos ver algumas dicas sobre quando usar cada uma dos tipos:

10 F16 - Comparação entre transmissores de campo, painel e cabeçote 5.1.Escolhendo o sensor de temperatura Escolher um sensor de temperatura pode ser uma tarefa difícil, algumas vezes cheia de detalhes a serem observados, mas que deve ser feita com muito cuidado para que o resultado final seja obtido com sucesso. A principal característica a ser observada é se o sensor escolhido oferecerá medidas com a desejada precisão e repetitividade. Então, a primeira coisa a saber antes de ir para a escolha do sensor é qual a precisão desejada. Em seguida, qual a faixa de temperatura em que o sensor deverá trabalhar? Em que condições a medição será feita: o sensor ficará em contato, ficará imerso, o objeto é inacessível? Qual a freqüência da medição: contínua, esporádica? Que equipamento será usado em conjunto com o sensor? Responder corretamente a essas simples perguntas certamente vai auxiliar na escolha do dispositivo mais adequado. * O engenheiro Rogério Souza da Mata trabalha na Divisão de Desenvolvimento Eletrônico da Smar Equipamentos Industriais *Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N 28 - Jun/Jul/06 Extraído do Portal Mecatrônica Atual - Todos os direitos reservados -