INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA CAMPUS SIMÕES FILHO DEPARTAMENTO DE ELETROMECÂNICA PROFESSOR: MIGUEL PEREIRA SANTOS NETO

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA CAMPUS SIMÕES FILHO DEPARTAMENTO DE ELETROMECÂNICA PROFESSOR: MIGUEL PEREIRA SANTOS NETO AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS Simões Filho-BA 2012

2 Sumário I AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS Processos industriais Automação Industrial Pirâmide da automação Visão geral de um sistema automatizado típico Exercício de aplicação II CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS CONTÍNUOS Controle: Elementos fundamentais em um controle automático Conceitos básicos para o controle de processos Malha de controle Representação em Diagrama de Bloco de um Sistema de Controle em malha fechada Formas de controle do processo Exercício de aplicação III INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Histórico da Instrumentação Vantagens da instrumentação Composição dos medidores Características de instrumentos Classificação dos instrumentos de medição... 21

3 5.1.Classificação por Função Por sinal de transmissão ou suprimento: Exercícios de aplicação IV IDENTIFICAÇÃO E SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS (TAG) TAG Terminologia ISA (S5) Linhas entre os Instrumentos Localização dos instrumentos Identificação das letras Simbologia de funções algébricas Simbologia das principais válvulas Principais simbologias utilizadas para a variável vazão Principais simbologias utilizadas para a variável pressão: Principais simbologias utilizadas para a variável temperatura: Principais simbologias utilizadas para a variável nível: Exemplos de aplicação Exercício de aplicação V MEDIDORES DE PRESSÃO Definição Conversão de Unidades de Pressão Tipos de pressão Quanto a referência utilizada Quanto à circulação do fluido... 47

4 4. Teorema de Stevin Princípio de Pascal Manômetros Manômetro de líquido Manômetro tipo elástico Transmissor de pressão diferencial Exercício de aplicação VI MEDIDORES DE VAZÃO Definição Tipos de vazão Conversão de unidades de medida de vazão volumétrica Conversão de unidades de medida de vazão mássica Equação da continuidade Equação de Bernoulli Tipos de medidores Medidores por elementos deprimogênios Medidores lineares Medidores Volumétricos Medidores de canal aberto Exercício de aplicação 1 parte Exercício de aplicação 2 parte VII MEDIDORES DE NÍVEL Conceitos iniciais... 78

5 2. Método de medição de nível de líquidos Medição Direta de nível Por régua ou gabarito Por visores de nível Por bóia ou flutuador Medição indireta de nível Pressão diferencial Por empuxo (deslocador) Por radiação Por capacitância Por ultra som Medição descontínua de nível Por eletrodos Por boias Método de medição de nível de sólidos Medição de nível de sólidos por célula de carga Exercício de aplicação VIII MEDIDORES DE TEMPERATURA Termômetros de contato direto Termômetro à dilatação De líquido De sólidos Termômetro à pressão... 93

6 2.1. De gás De vapor Termômetros elétricos Termoelementos ou Termopar Termômetro de resistência elétrica ou Termoresistência Termômetros de contato indireto Pirômetro óptico e Pirômetro de radiação total Pirômetro infravermelhos Exercícios de aplicação IX CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO Principais problemas para o controle de processos Ação do controlador Direta: Inversa (reversa) Modelos de malhas de controle Controle em cascata Controle de razão Controle seletivo Controle em faixa divida (split-range) Ação de controle em processos contínuos Auto-operado Liga-desliga (on-off) Proporcional (P)

7 4. Proporcional-integral (PI) Proporcional-derivativo (PD) Proporcional-integral-derivatico (PID) CONSIDERAÇÕES FINAIS Referências Bibliográficas

8 I AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS A maioria das plantas industriais eram essencialmente operadas de forma manual antes dos anos de 1940, quando usava-se apenas instrumentos e controladores elementares. Muitos homens eram necessário para manter o controle de diversas variáveis existentes nas plantas industriais. Com o aumento dos custos de mão de obra e de equipamentos, bem como o desenvolvimento de equipamentos e processos de maior performance nas décadas de 1940 e 1950, tornou-se anti-econômico, ou mesmo inviável, operar plantas sem dispositivos de controle automático. Neste estágio, controladores a realimentação negativa foram introduzidos nas plantas. Paralelamente, os instrumentos e equipamentos para controle de processo evoluíram desde os primeiros instrumentos mecânicos no ínicio do século, onde o controle era realizado localmente. Os instrumentos pneumáticos a partir da década de 1940 permitiam a transmissão de sinais relativos às variáveis de processo a distâncias, possibilitando a concentração de controladores em uma única área, dando origem então às salas de controle de processo. Os instrumentos eletrônicos analógicos nos anos de 1950 e 1960 premitiram a simplificação e o aumento das distâncias para transmissão de sinal, enquanto os instrumentos e sistemas digitais dos anos de 1970 e 1980 elevaram o grau de automação. Os transdutores, inicialmente baseados em tubos de bourdon, dispositivos mecânicos e pneumáticos, evoluíram até a utilização de transdutores baseados em ultra-som e elementos radioativos emissores de raios gama. 1.Processos industriais Os processos industriais são constituídos por uma série de unidades combinadas objetivando a produção de um determinado produto. 8

9 Vários são os tipos de indústrias existentes em diversos ramos da atividade industrial. Em geral podemos destinguir industrias em três naturezas: Processos Contínuos: são aqueles que possuem saídas contínuas como, por exemplo, processos de geração de energia. Principais Variáveis de um processo contínuo: Pressão, Vazão, Nível, Temperatura. Ex: Sistema de controle de nível Processos Discretos ou Manufaturas: são aqueles que possuem produtos enumeráveis, como na produção de autopeças. Ex: Esteira separadora de caixas Processos por batelada: são os que possuem característica de ambos os modelos. 2.Automação Industrial: É um conjunto de técnicas objetivando: a. Controle do processo com a menor intervenção humana possível; b. Tornar o sistema mais eficiente, seguro; c. Obter informações do processo para tomada de decisões; d. Etc. 9

10 2.1.Pirâmide da automação Nível de Campo - constituído pelos elementos a controlar e pelos elementos de detecção; Nível de Controle - É o nível onde se encontram os elementos que vão controlar o processo; O controle dos processos podem ser classificados conforme abaixo: 10

11 No nosso curso, vamos estudar a instrumentação e o controle de processos contínuos linear. Nível de Supervisão - É composto pelos programas de interface homem-máquina e aquisição de dados (este nível não deve interferir diretamente no funcionamento do processo). 11

12 2.2.Visão geral de um sistema automatizado típico Exercício de aplicação 1 questão)o que é automação industrial e quais as vantagens que ela oferece? 2 Questão) O que é um processo industrial? 4 Questão) Quais os tipos de processos industriais? Defina cada tipo. 5 Questão) Cite os três níveis hierárquicos da automação e explique a sua função no processo automático. 12

13 II CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS CONTÍNUOS 1.Controle: É a verificação de uma variável para possíveis correções fazendo com que a mesma permaneça dentro de uma tolerância de trabalho pré-determinada. Pode ser: Manual: O homem utiliza seus sentidos para controlar o processo. Automática: A máquina substitui o homem. 2.Elementos fundamentais em um controle automático Unidade de medida; Unidade de controle; Elemento final de controle 3.Conceitos básicos para o controle de processos Para o controle de um determinado processo é necessário entender os seguintes conceitos: 13

14 Variáveis do processo: Compreende as grandezas físicas envolvidas nos processos industriais, como por exemplo: pressão, vazão, nível, temperatura, PH, viscosidade etc. Variável controlada: É a grandeza que desejamos manter dentro de certos parâmetros ou valores pré-determinados. Variável manipulada: É a grandeza que efetivamente manuseamos a fim de manter a variável controlada, dentro dos valores desejados. Meio controlado: É a energia ou material no qual a variável é controlada. Agente de controle: É a energia ou o material no qual a variável manipulada mantêm os padrões pré-estabelecidos do processo. Erro: é a diferença entre o valor medido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Valor desejado (ou set-point ): É o valor no qual desejamos manter a variável controlada. Desvio (Off-set): É a diferença porventura existente entre o valor desejado e o valor da variável controlada. Exemplo de Aplicação Variável controlada: A temperatura de saída da água. 14

15 Variável manipulada: A vazão de vapor. Meio controlado: A água na saída do processo. Agente de controle: É o vapor. Exercício de processo Variável controlada: Variável manipulada: Meio controlado: Agente de controle: 4.Malha de controle Aberta: a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo. (ex: Sistema de Comando) 15

16 Fechada: a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo.(ex: sistema de controle) 5.Representação em Diagrama de Bloco de um Sistema de Controle em malha fechada 6.Formas de controle do processo Controle à realimentação (FEEDBACK): Neste tipo de controle, o erro é corrigido somente após a perturbação do processo. 16

17 Controle por antecipação (FEEDFORWARD): Neste tipo de controle, o erro é corrigido antes que possa perturbar o processo. A desvantagem desse método está no fato de que, se ocorrer alguma anomalia no processo que venha a provocar desvio da variável controlada, esta não será detectada. Exercício de aplicação 1 questão)quais os três elementos básicos de um sistema automático? 2 questão) O que um é sistema em malha aberta? 3 questão) Qual a diferença entre as variáveis controladas e manipuladas? 4 questão) O que é controle a realimentação (feefback)? 5 questão) O que é controle antecipativo (feedforward)? 6 questão) O que é set point? 7 questão) Descreva as principais etapas necessárias para o controle automático. 8 questão) Esboce o diagrama de blocos de um sistema automatizado e malha fechada. 9 questão) O que você entende por controle de um processo? 10 questão) No processo ao lado, identifique o que se pede: 17

18 a) Variável controlada: b) Variável manipulada: c) Meio controlado: d) Agente de controle: 11 questão) Uma malha de controle pode ser, podendo ser utilizada para sinalização e indicação e pode ser, podendo a variável controlada ser mantida em valores pré-estabelecidos pelo operador (set-point). 12 questão) Qual a(s) característica(s) da malha aberta? 13 questão) Qual a(s) característica(s) da malha fechada? 14 questão) Classifique os instrumentos de medição quanto à função. 15 questão) Classifique os instrumentos de medição quanto ao sinal de transmissão/suprimento. 16 questão) O que significa: set-point e desvio (off-set). 18

19 III INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL É a ciência que desenvolve e aplica técnicas de medição, indicação, registro e controle de processos, visando a otimização e eficiência. 1.Histórico da Instrumentação 2.Vantagens da instrumentação Obtenção de um produto com melhor qualidade e menor custo; Permitiu uma produção com segurança; Maior produção; Obtenção de produtos mais complexos, inviáveis de serem obtidos com processos manuais; 19

20 Centralização de informações em uma casa de controle. 3.Composição dos medidores Podem ser fabricados pela associação de três partes: Elemento de recepção/transdutor: Aquele que recebe o sinal a ser medida e a transforma em deslocamento ou força; Elemento de condicionamento: Aquele que amplia o deslocamento ou a força do elemento de recepção ou que transforma o mesmo em um sinal único de transmissão do tipo elétrica ou pneumática, que é enviada ao elemento de indicação; Elemento de indicação: Aquele que recebe o sinal do elemento de condicionamento e indica ou registra a pressão medida (ex: ponteiros, displays). Obs: Quando dessa associação for incorporado aos conversores, recebe o nome de transmissores. 4.Características de instrumentos Faixa de medida (RANGE): conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Alcance (SPAN): é a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Precisão (Repetibilidade): Propriedade de um instrumento de, em condições idênticas, indicar o mesmo valor para uma determinada grandeza medida. Exatidão: É a aptidão de um instrumento para dar respostas próximas ao valor verdadeiro do mensurando (objeto da medição). 20

21 5.Classificação dos instrumentos de medição 5.1.Classificação por Função 21

22 5.2.Por sinal de transmissão ou suprimento: a) Tipo pneumático: gás (ar comprimido, nitrogênio, gás natural). Sinal 0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi. Nesse tipo de instrumento é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm 2 (aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Inglês). Vantagem A grande e única vantagem em se utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder opera-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). Desvantagens Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc..., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas. Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. Não permite conexão direta aos computadores. b) Tipo hidráulico: óleo hidráulico. 22

23 Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. Vantagens Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão. Resposta rápida Desvantagens Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca. Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... c) Tipo elétrico: sinais elétricos de corrente ou tensão. Sinal 4 a 20 ma, 10 a 50 ma e 1 a 5 V. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão amplamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. Vantagens Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. Não necessita de poucos equipamentos auxiliares. Permite fácil conexão aos computadores. 23

24 Fácil instalação. Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja lido por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas deste instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. Desvantagens Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. d) Tipo digital: sinais digitais modulados e padronizados. e. Via rádio: sinal ou pacote sinal de ondas de rádio. f. Via modem: sinal transmitido por linha telefônica (via frequência, fase ou amplitude). 6.Comunicação dos instrumentos Exemplos de protocolos: a) Protocolo HART É um sistema que combina o padrão 4 a 20 ma com a comunicação digital; Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 ma e para a comunicação digital. 24

25 b)foundation Fieldbus Este padrão permite comunicação entre uma variedade de equipamentos; Uma grande vantagem é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo, ou seja, apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede fieldbus. 25

26 Exercícios de aplicação 2 questão) O que você entende por instrumentação industrial? 3 questão) Quais as vantagens da instrumentação industrial? 4 questão) Com base na escala ao lado, responda o que se pede: a) Qual o range? b) Qual o span? 5 questão) Com relação ao tipos de sinais de transmissão, quais as vantagens e desvantagens dos sinais: a) Elétrico; b) Pneumático. 6 questão) Qual o motivo para que a maior parte dos sinais de transmissão comecem com um valor maior que zero (exp: 1~5 Volts, 4~20 ma, 0.2 ~ 1.0 kgf/cm2, 3 ~ 15 PSI)? 7 questão) Calcule o valor pedido: a) 70% de 1 5 V = 26

27 b) 80% de 1 5 V = c) 10% de 0,25 1,25 V = d) 30% de 0,25 1,25 V = e) 45% de 4-20 ma = f) 55% de 4-20 ma = 8 questão) Calcule o valor pedido: a) 1,2 V é quantos % da faixa de 1 5 V = b) 4,8 ma é quantos % da faixa de 4 à 20 ma = c) 6,2 ma é quantos % da faixa de 4 à 20 ma = d) 9 ma é quantos % da faixa de 4 à 20 ma = e) 1,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = 27

28 IV IDENTIFICAÇÃO E SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS (TAG) 1.TAG É um código alfanumérico cuja finalidade é de identificar equipamentos ou instrumentos, dentro de uma planta de processos. NORMAS UTILIZADAS ISA-S5 E Norma 8190 da ABNT. EXEMPLOS DE SIMBOLOGIA DE INSTRUMENTOS: 2. Terminologia ISA (S5) 28

29 3. Linhas entre os Instrumentos 4. Localização dos instrumentos 29

30 5. Identificação das letras 30

31 6. Simbologia de funções algébricas 7. Simbologia das principais válvulas 8. Principais simbologias utilizadas para a variável vazão a) Formas simples FI Indicador de vazão ( flow indicator ); FR Registrador de vazão ( flow recorder ); 31

32 FC Controlador de vazão ( flow controler ); FQ Integrador ou totalizador volumétrico (T = totalizer). b) Formas compostas FIC Indicador e controlador de vazão; FRC Registrador e controlador de vazão. c) Formas especiais FE Elemento primário de vazão ( flow element ); FG Visores de vazão ( flow-glass ); FCV Válvula auto-operada por vazão; FY Relé de relação (conversão). 9. Principais simbologias utilizadas para a variável pressão: a) Formas simples PI Indicador de pressão; PR Registrador de pressão; PC Controlador de pressão; PQ Integrador ou totalizador de pressão. b) Formas compostas PIC Indicador e controlador de pressão; PRC Registrador e controlador de pressão. c) Formas especiais PE Elemento primário de pressão; 32

33 PCV Válvula auto-operada por pressão; PY Relé de relação (conversão). 10. Principais simbologias utilizadas para a variável temperatura: a) Formas simples TI Indicador de temperatura; TR Registrador de temperatura; TC Controlador de temperatura; TQ Integrador ou totalizador de temperatura. b) Formas compostas TIC Indicador e controlador de temperatura; TRC Registrador e controlador de temperatura. c) Formas especiais TE Elemento primário de temperatura; TCV Válvula auto-operada por temperatura; TY Relé de relação (conversão). 11. Principais simbologias utilizadas para a variável nível: a) Formas simples LI Indicador de nível; LR Registrador de nível; LC Controlador de nível; LQ Integrador ou totalizador de nível. 33

34 b) Formas compostas LIC Indicador e controlador de nível; LRC Registrador e controlador de nível. c) Formas especiais LE Elemento primário de nível; LCV Válvula auto-operada por nível; LY Relé de relação (conversão). 12. Exemplos de aplicação 34

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40 Exercício de aplicação 1 questão) 40

41 2 questão) Qual a descrição (identificação) funcional dos seguintes instrumentos: FE-209:... PSV-210:... TAH-202:... LG-208:... PI-210:... 3 questão) Um controlador de temperatura cujo range é de 300 K a 440 K tem seu valor desejado ajustado em 384 K. Achar o erro percentual quando a temperatura medida é de 379 K. Dado: VP = Valor programado ou desejado SV = Valor medido pelo sensor 4 questão) Cite a função de cada componente das malhas abaixo: 41

42 5 questão) No processo abaixo identifique a simbologia dos instrumentos com base na norma ISA-S5, em seguida confira sua resposta. 42

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46 V MEDIDORES DE PRESSÃO 1.Definição: É a razão entre a força exercida sobre uma superfície e a área desta superfície. Unidades usuais de pressão: Pa, N/m², kgf/cm², mmhg, mca, lbf/pol 2, Atm, bar etc. 2.Conversão de Unidades de Pressão 3.Tipos de pressão As pressões podem ser classificadas com base na referência utilizada e na circulação de fluido. 3.1.Quanto a referência utilizada (zero na escala) 46

47 Pressão atmosférica É a pressão exercida pela camada de ar sobre a superfície terrestre, que é medida em um barômetro. Pressão manométrica É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência. Pressão relativa negativa ou vácuo É quando um sistema de pressão relativa menor que a pressão atmosférica. Pressão absoluta É a soma da pressão atmosférica com a manométrica. (Pressão absoluta = Pa + Pm) 3.2.Quanto à circulação do fluido Pressão diferencial É a diferença entre duas pressões desconhecidas. Pressão estática Pressão exercida por um fluido em repouso ou em regime estacionário (a velocidade não varia com o tempo); Pressão dinâmica (inpacto) Pressão exercida por um fluido em movimento (bomba, ventilador, exaustor, compressor ou por gravidade). Pressão total - É a soma das pressões estática e dinâmica. 4. Teorema de Stevin A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é igual ao produto do peso específico do fluido pela diferença de cota entre os dois pontos. P2 - P1 = P = (h2 - h1). δ Onde: 47

48 δ é o peso específico. 5. Princípio de Pascal A pressão exercida em qualquer ponto de um líquido em forma estática, se transmite integralmente em todas as direções e produz a mesma força em áreas iguais. Obs: O volume deslocado será o mesmo. 6. Manômetros São dispositivos geralmente utilizados para indicação local de pressão e, em geral, estão divididos em: A tabela abaixo mostra a classificação dos manômetros: 6.1. Manômetro de líquido: Utiliza um líquido como meio para se medir a pressão. a) Funcionamento: é baseado na equação manométrica. b) Construção: é constituído por um tubo de vidro com área seccional uniforme, uma escala gradual e um líquido de enchimento. 48

49 c) Líquido de enchimento: qualquer líquido com baixa viscosidade e não volátil. (os mais usados são: água destilada e mercúrio). d) Aplicação: maior aplicação em laboratório de calibração. e) Elementos que influenciam na leitura do manômetro de líquido: Formação do menisco: Devido ao efeito da tensão superficial. Temperatura do ambiente: devido à dilatação volumétrica do líquido, alterando-se o f) Tipos: peso específico. Manômetro tipo coluna em U : Manômetro tipo coluna reta vertical: Manômetro tipo coluna inclinada: 49

50 6.2. Manômetro tipo elástico: Utiliza a deformação de um elemento elástico como meio para se medir a pressão. Deve-se ter cuidado para não deixar este tipo de medidor alcançar a deformação plástica, ou seja, deve trabalhar sempre na faixa de elasticidade do material que compõe o instrumento. a) Funcionamento: I. O elemento elástico sofre deformação proporcional à pressão detectada. II. III. Esta deformação provoca um deslocamento linear, que é convertido de forma proporcional, em deslocamento angular. Ao deslocamento angular é anexado um ponteiro, que percorre uma faixa linear, que representa a faixa de medição do aparelho. b) Classificação e faixa de medição: B1) Tubo de Bourdon: Consiste de um tubo em forma de C, espiral e helicoidal que tem uma de suas extremidades fechada e a outra aberta à pressão a ser medida. 50

51 OBS: Selagem do Bourdon: Usado para impedir o contato direto do fluido do processo com o Bourdon, quando este fluido for corrosivo, viscoso, tóxico, estiver à alta temperatura e/ou radiotivos, ou seja, o objetivo é proteger o elemento elástico de ataque químico de fluidos corrosivos. Pode ser: Com selagem líquida Com selagem líquida e com diafragma como selo 51

52 B2) Tipo diafragma: Consta de um disco plano (circular) ou corrugado composto por uma membrana fina de material elástico (metálico ou não), associada a uma mola que promoverá o equilíbrio entre as forças elásticas (da mola e do diafragma). B3) Tipo fole: É um dispositivo que possui ruga no círculo exterior que tem a possibilidade de expandir-se e contrair-se em função de pressões aplicadas no sentido do eixo. 6.3.Transmissor de pressão diferencial A pressão hidrostática exerce uma força sobre um diafragma da câmara de pressão H, sendo este equilibrado contra a pressão da câmara de pressão inferior. Estes tipos de instrumentos convertem uma deformação mecânica em sinal elétrico por meio de conversores que podem ser: 52

53 a) Sensor capacitivo: É o sensor mais utilizado em transmissores de pressão. Nele um diafragma de medição se move entre dois diafragmas fixos. Entre os diafragmas fixos e o móvel, existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Como um capacitor de placas paralelas é constituído por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distância em relação ao diafragma modificada. Isso provoca modificação na capacitância de um circuito de medição, e então tem-se a medição de pressão. b) Sensor piezoelétrico: É um cristal que, quando submetido a uma pressão, gera um campo elétrico que pode ser coletado como tensão. Os cristais mais utilizados são os de quartzo. c) Sensor piezoresistivo (Strain Gauges): São pequenos resistores deformáveis que podem ser fixados na superfície a sofrer a deformação. A deformação da superfície provoca uma deformação no sensor que por sua vez modifica o valor da sua resistência. 53

54 Exercício de aplicação 1 questão) Faça as conversões de unidades abaixo: a) 50 psi = Kgf/cm 2 c) 40 Kgf/cm 2 = mmh 2 0 d) 435,5 mmhg = PSI e) 24 psi = mmh 2 0 h) 52 psig = bar i) 18 psia = mmhg j) 32 cmhg= KPa 2 questão) Qual a pressão exercida por um tanque que pesa 2000N, sobre a sua base que tem um diâmetro de 4m? 3 questão) Calcule a pressão total no fundo de um lago à profundidade de 20m. São dados: pressão atmosférica P atm = 10 5 N/m 2, aceleração da gravidade g = 9,8m/s 2 e massa específica da água ρ = 1000kg/m 3. 4 questão) No sistema abaixo temos dois pontos de tomada de pressão, o tanque está aberto e preenchido com água ρ = 10 3 kg/m 3. Calcule a pressão nos pontos indicados, sabendo que a pressão atmosférica P atm = 10 5 N/m 2, aceleração da gravidade g = 9,8m/s 2. 54

55 5 questão) Diferencie pressão manométrica, absoluta, relativa negativa e diferencial. 6 questão) Diferencie pressão estática de pressão dinâmica. 7 questão) O que você entende por pressão diferencial? 8 questão) Como é chamada a pressão exercida por um liquido em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente à tomada de impulso e que não esteja sendo influenciada pela componente cinética do fluxo? 9 questão) Defina o tubo de Bourdon. 10 questão) Cite 3 tipos de Bourdon. 11 questão) Cite 3 tipos de coluna líquida. 12 questão) Qual o manômetro mais indicado para medição de altas pressões? 13 questão) Em processos industriais que manipulam fluidos corrosivos, tóxicos, sujeitos à alta temperatura e/ou radioativos, a medição de pressão com manômetro tipo elástico se torna impraticável, pois o Bourdon não é adequado para essa aplicação, seja em função dos efeitos da deformação provenientes da temperatura, seja pela dificuldade de escoamento de fluidos viscosos, ou seja, pelo a ataque químico de fluidos corrosivos. Mediante tais problemas qual seria o instrumento adequado? 14 questão) Manômetro é um instrumento utilizado para medir pressões. A figura a esquerda ilustra um tipo de manômetro, que consiste em um tubo em forma de U, contendo mercúrio (Hg), que está sendo utilizado para medir a pressão do gás dentro do botijão. Se a pressão atmosférica local é igual a 10 5 N/m 2, qual é a pressão exercida pelo gás? (dado: massa específica do mercúrio ρ = kg/m 3 ). 55

56 15 Questão) uma placa de orifício produz uma pressão diferencial, cujo valor está relacionado com a vazão na tubulação. Um manômetro tipo U pode ser utilizado como dispositivo secundário para obter-se uma medida da vazão nessa tubulação, conforme ilustrado no esquema a seguir: Sabendo-se que o manômetro tipo tubo U indica h 1 = 20cm e h 2 = 5cm, determine a pressão diferencial. (dado: massa específica do mercúrio ρ = kg/m 3 ) 16 questão) O manômetro de líquido, tipo coluna em U da figura, indica uma diferença de altura de 8cm. Sabendo que o líquido utilizado no tubo é a água destilada, cuja massa específica vale 1000kg/m 3. Determine a pressão diferencial, em KPa. (Adote g=10m/s 2 ) 17 questão) O manômetro de líquido, tipo coluna reta vertical da figura, indica uma diferença de altura de 10cm. Sabendo que o líquido utilizado no tubo é o mercúrio, cuja massa específica vale 13600kg/m 3. Determine: (Adote g=10m/s 2 ) a) a pressão diferencial, em psi; b) a altura mínima da coluna reta vertical, se a pressão diferencial fosse 20 KPa. 56

57 18 questão) Um aluno utilizando um manômetro de líquido, tipo coluna reta inclinada, conforme mostrado na figura, deseja determinar a pressão diferencial. Durante sua análise ele levantou os seguintes dados: τ=20cm, e ângulo de inclinação α=60. Sabendo que o líquido utilizado no tubo é o mercúrio, cuja massa específica vale 13600kg/m 3. Qual o valor da pressão diferencial encontrada pelo aluno, em psi: (dados: sen 60 = 0,87, cos 60 = 0,5 e g=10m/s 2 ). 19 questão) Com base na figura ao lado e sabendo que o fluido utilizado foi a água destilada, cuja massa específica vale 1000 kg/m 3. Determine a pressão diferencial, em KPa. (Adote g=10m/s 2 ) 57

58 VI MEDIDORES DE VAZÂO A vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. As aplicações são muitas, indo desde aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre estes, pode-se destacar: exatidão desejada para a medição; tipo de fluido: líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases, condutividade elétrica, transparência; condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; espaço físico disponível; custo. A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia-a-dia.por exemplo. o hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de combustível nos veículos, etc. Na História, grandes nomes marcaram suas contribuições. Em 1502 Leonardo da Vinci observou que a quantidade de água por unidade de tempo que escoava em um rio era a 58

59 mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade, inclinação e outros. Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros. Vejamos inicialmente alguns conceitos para entendermos melhor a medição de vazão. 1. Definição: É a quantidade de fluido que passa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. 2. Tipos de vazão a) Vazão volumétrica (Q v ): É a quantidade em volume que atravessa uma seção em um intervalo de tempo. V = volume t = tempo Unidade de medida no SI: m³/s b) Vazão mássica (Q m ): É quantidade em massa que atravessa uma seção em um intervalo de tempo. m = massa t = tempo Unidade de medida SI: kg/s 59

60 3. Conversão de unidades de medida de vazão volumétrica 4. Conversão de unidades de medida de vazão mássica 5. Equação da continuidade O escoamento de um fluido por secções diferentes proporciona mudança na velocidade com a variação da área. Essa compensação é necessária uma vez que a vazão permanecerá a mesma. Dessa forma podemos enunciar a equação da continuidade como segue abaixo. 60

61 É fácil observar pela equação que uma redução da área da secção transversal, em um escoamento forçado, proporciona um aumento da velocidade, portanto são inversamente proporcionais. 6. Equação de Bernoulli Esta equação propõe um balanço de energia entre dois pontos de um fluido em escoamento. Segundo este princípio, a soma da energia da pressão, mais a energia cinética, mas a energia potencial gravitacional deve ser constante, supondo um sistema conservativo (sem perdas de energia). Dessa forma, temos: Da análise da equação podemos verificar que se as parcelas da energia potencial gravitacional forem nulas, ou seja, se a tubulação estiver no mesmo nível, uma redução da secção transversal, em um escoamento forçado, implicaria em um aumento da energia cinética 61

62 e consequentemente uma redução da energia da pressão. Com isso, nessa situação, uma redução da secção, aumenta a velocidade do fluido, mas reduz a pressão do mesmo. Este conceito será muito importante para o estudo dos medidores de vazão por pressão diferencial, como veremos a seguir. 7. Tipos de medidores Os medidores de vazão podem ser agrupados com base no seu princípio de funcionamento. Dessa forma podemos ter: Medidores por elementos deprimogênios; Medidores Lineares; Medidores Volumétricos; Medidores em canais abertos. O estudo dos medidores de vazão requer uma análise aprofundada de cada grupo Medidores por elementos deprimogênios A medição de vazão é feita com base na pressão diferencial. O princípio de funcionamento baseia-se no uso de uma mudança de área de escoamento, através de uma redução de diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda através de uma mudança na direção do escoamento. Estas mudanças de área ou de direção provocam uma aceleração local do escoamento, alterando a velocidade e, em conseqüência, a pressão local. A variação de pressão é proporcional ao quadrado da vazão. São medidores já bastante conhecidos, normalizados e de baixo custo. Estima-se que abranjam 50% de utilização na medição de vazão de líquidos. São compostos de um elemento primário e um elemento secundário. O elemento primário está associado à própria tubulação, interferindo com o escoamento e fornecendo o diferencial de pressão. O elemento secundário é o responsável pela leitura deste diferencial e 62

63 pode ser um simples manômetro de coluna líquida, em suas diferentes versões, ou até mesmo um transdutor mais complexo, com aquisição e tratamento eletrônico do valor de pressão lido. Pode ser por: a. Placa de orifício. Pode ser: 63

64 Orifício concêntrico: utilizado para líquido, gases e vapor que não contenham sólidos em suspensão. Orifício excêntrico: utilizado em fluido contendo sólidos em suspensão. Orifício segmental: alta porcentagem de sólidos em suspensão. b. Bocal. É, em muitos aspectos um meio termo entre a placa de orifício e o tubo Venturi. O perfil dos bocais de vazão permite sua aplicação em serviços onde o fluído é abrasivo e corrosivo. c. Tubo de Venturi. Os fluidos sob pressão, na passagem através de tubos convergentes ganham velocidade e perdem pressão, ocorrendo o oposto em tubos divergentes. 64

65 d. Tubo de Pitot. A diferença entre a pressão total e a pressão estática da linha nos fornecerá a pressão dinâmica a qual é proporcional ao quadrado da velocidade Aplicação dos métodos de medição de vazão por elementos deprimogênios Extrator de raiz quadrada: São unidades aritméticas que tem a função de permitir que valores medidos pelos transmissores representem a vazão medida, isso porque, a relação entre a pressão e vazão não é linear e sim quadrática. 65

66 Esta função pode estar incorporada ao transmissor, estar separada como um instrumento ou até mesmo ser uma função executada via software em sistema de controle Simbologia para os elementos deprimogênios Placa de orifício e bocal. Tubo de Venturi. Tubo de Pitot Medidores lineares Produzem um sinal de saída diretamente proporcional à vazão. Podem ser: a) Medidor de área variável: Tipo Rotâmetro Rotâmetro são medidores de vazão por área variável nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido. Possuem perda de carga é constante. b) Eletromagnético O princípio se baseia na lei de Faraday, isto é, uma corrente elétrica é induzida num condutor se ele se move em um campo magnético ou vice-versa. 66

67 Um tubo de material não magnético contém duas bobinas que geram um campo magnético B no seu interior. Dois eletrodos são colocados em lados opostos do tubo e em direção perpendicular ao campo. O fluido faz o papel do condutor e a tensão V gerada tem relação com a velocidade do fluxo e, portanto, com a sua vazão. Medidores magnéticos são, portanto, ideais para medição de produtos químicos altamente corrosivos, fluidos com sólidos em suspensão, lama, água, polpa de papel, etc. Sua aplicação estende-se desde saneamento até indústrias químicas, papel e celulose, mineração e indústrias alimentícias. A única restrição é que o fluido tem que ser eletricamente condutivo. Tem, ainda, como limitação o fato de fluidos com propriedades magnéticas adicionarem um certo erro de medição. c) Medidor tipo Ultrassônico O medidor de vazão ultra-sônico se fundamenta no princípio da propagação de ondas sonoras no fluido. O medidor de vazão ultra-sônico se fundamenta no princípio da propagação de som num líquido. A noção que os pulsos de pressão sonora se propagam na água à velocidade do som, vem desde os dias do primeiro desenvolvimento do sonar. Num medidor de vazão, os pulsos sonoros são gerados, em geral, por um transdutor piezoelétrico que transforma um sinal elétrico em vibração, que é transmitida no líquido como um trem de pulsos. Quando um pulso ultra-sônico é dirigido a jusante, sua velocidade é adicionada à velocidade da corrente. Quando um pulso é dirigido à montante, a velocidade do impulso no líquido é desacelerada pela velocidade da corrente. 67

68 Baseado nessas informações é possível determinar a vazão de fluidos por ultra-som. Pode ser: Por efeito Doppler: Estes medidores são adequados para medir fluidos que contém partículas. Por tempo de trânsito: Estes medidores não são adequados para medir fluidos que contém partículas. d) Medidor tipo Turbina Um medidor de vazão tipo turbina, conforme a figura acima, consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo a direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor, detecta o movimento do rotor. Esta bobina é alimentada, produzindo um campo magnético. Como as palhetas do rotor são feitas de material ferroso, à medida que cada palheta passa em frente à bobina corta o campo magnético e produz um pulso. O sinal de saída é uma seqüência de pulsos de tensão, em que cada pulso representa um pequeno volume determinado de líquido. O sinal detectado é linear com a vazão. Unidades eletrônicas associadas permitem indicar a vazão unitária ou o volume totalizado, podendo efetuar a correção automática da temperatura e/ou pressão e outras funções. 68

69 e) Medidor tipo Coriolis O Efeito Coriolis é uma força inercial. Pode ser demonstrado pela lei do movimento de Newton tendo um ponto referencial. Este medidor de vazão utiliza um fenômeno físico que envolve a inércia e a aceleração centrípeta. A vazão de uma tubulação é dividida em duas por dois tubos paralelos que possuem forma de U, e ao fim destes tubos a vazão volta a ser conduzida por um único tubo. Próximo da parte inferior de cada U existem eletroimãs que fazem os dois tubos oscilarem em suas frequências naturais de vibração e cuja a amplitude não ultrapassa alguns milímetros. Com o passar de fluido pelos tubos, em função desta oscilação, surge uma torção nos tubos cuja defasagem permite a medição da vazão. Esta defasagem é medida por sensores magnéticos instalados nas partes retas dos tubos em U. ondas senoidais. Ou seja, o princípio de funcionamento deste tipo de medidor está baseado em tubos de medição que são submetidos a uma oscilação. Quando um fluído qualquer é introduzido no tubo em vibração, o efeito do Coriolis se manifesta causando uma deformação, isto é, uma torção, que é captada por meio de sensores magnéticos que geram uma tensão em formato de Este tipo de medidor pode ser utilizado para medições de fluxos de líquidos e gases, com ou sem sólidos em suspensão. 69

70 transmissor. Um medidor Coriolis possui dois componentes: tubos de sensores de medição e Obs: Podemos encontrar o modelo com tubo reto. f) Vortex Consta de um anteparo de geometria definida colocado de forma a obstruir parcialmente uma tubulação em que escoa um fluido, formando vórtices, que se desprendem alternadamente de cada lado do anteparo. a vazão volumétrica do fluido pode ser medida pela contagem do número de vórtices Aplicação dos métodos lineares de medição de vazão 70

71 7.3. Medidores Volumétricos São medidores que possuem uma relação bem definida entre o volume de produto que passa pelo medidor e o acionamento de um dispositivo de medição. Os principais tipos são: Medidor de Engrenagens Ovais O fluido circula entre as engrenagens e a paredes da câmara de medição. Medidor de Lóbulos O fluido circula entre os lóbulos e as paredes da câmara de medição. Disco de Nutação O fluido preenche a câmara de medição fazendo o disco de nutação girar. 71

72 Aplicação dos métodos Volumétricos de medição de vazão 7.4. Medidores de canal aberto O escoamento deste tipo de fluido ocorre devido ao efeito da gravidade. Os dois principais tipos de medidores em canais abertos são: Vertedor Mede a altura estática do fluxo em reservatórios, que vertem o fluido de uma abertura de forma variável. Calha Parshall É um tipo de Venturi aberto que mede a altura estática do fluxo. É um medidor mais vantajoso que o vertedor, porque apresenta menor perda de carga e serve para medir fluidos com sólidos em suspensão. 72

73 Aplicação dos métodos de medição de vazão em canais abertos Exercício de aplicação 1 parte Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: 73

74 Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: 74

75 Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: Resposta: e Resposta: e Resposta: 75

76 Resposta: Resposta: Resposta: Referência/fonte das questões: 76

77 Exercício de aplicação 2 parte 1 questão) O que são medidores de vazão por elementos deprimogênios? 2 questão) Quais 4 (quatro) medidores de vazão que tem seu princípio de funcionamento baseado na pressão diferencial. 3 questão) O que é extrator de raiz quadrada? E onde deve ser utilizada? 4 questão) Quais os tipos de placas de orifício? 5 questão) O que são medidores lineares de vazão? 6 questão) Cite 5 (cinco) tipos de medidores lineares de vazão. 7 questão) Explique o princípio de funcionamento do medidor de vazão tipo turbina. 8 questão) Explique o princípio de funcionamento do medidor de vazão tipo Coriolis. 9 questão) Explique o princípio de funcionamento do medidor de vazão tipo Vórtex. 10 questão) Explique o princípio de funcionamento do medidor de vazão tipo ultrassônico. 77

78 VII MEDIDORES DE NÍVEL 1. Conceitos iniciais Nível: É a altura do conteúdo de um reservatório. O conteúdo pode ser liquido ou sólido. Finalidade: Avaliar o estoque de tanques de armazenamento; Proporcionar segurança nos processos; Controlar processos (separação de líquidos heterogêneos, nível de condensado etc). 2. Método de medição de nível de líquidos Os três métodos de medição de nível são: Direto: Toma como referência a posição do plano superior da substância medida. Indireto: Utiliza propriedades físicas como: pressão, empuxo, radiação, propriedades elétricas etc). Descontínuo: São empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados Medição Direta de nível Pode ser: Por régua ou gabarito Consiste em uma régua graduada, de comprimento conveniente para sua introdução dentro do reservatório a ser medido. 78

79 Por visores de nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. Tubular Vidro plano tipo reflex Por bóia ou flutuador Consiste em uma bóia presa a um cabo cuja extremidade encontra-se ligada a um contrapeso. No contrapeso, está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é, normalmente, encontrada em tanques abertos. 79

80 2.2. Medição indireta de nível Pode ser: Pressão diferencial Utilizando Transmissor de pressão diferencial: Para tanque aberto: O transmissor de pressão diferencial deve ser ligado ao tanque pelo lado H (alta pressão), e o lado L (baixa pressão) aberto para a atmosfera. Para tanque pressurizado: Os lados de alta e baixa pressão são conectados individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque respectivamente para obter pressão diferencial proporcional ao nível líquido. 80

81 Na medição do nível utilizando o Transmissor de Pressão Diferencial, tanto para tanque aberto como para pressurizado, é muito importante a posição a qual este instrumento será conectado ao tanque. Dessa forma, tem-se duas situações que merecem atenção, são elas: Supressão de Zero: Quantidade com que o valor inferior do range supera o zero da variável. Ocorre muitas vezes devido à impossibilidade de instalação por conta de espaço físico ou por questão de projeto. A figura abaixo mostra como acontece. Elevação de Zero: Quantidade com que o zero da variável supera o valor inferior do range. Quando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou condensar-se nas tubulações de impulso, ou ainda, no caso do fluido ser corrosivo, deve-se utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso. A figura abaixo mostra esse caso. 81

82 Utilizando Borbulhamento Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente ajustamos para aproximadamente 20% a mais que a pressão hidrostática. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida Por empuxo (deslocador) Todo o corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do fluído deslocado. Princípio de Arquimedes. A esta força exercida pelo fluído do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um flutuador que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. 82

83 Este dispositivo pode ser utilizado para medição de nível em fluidos com interface. Por fluidos com interface entende-se a superfície de contato entre dois fluidos imiscíveis (que não se misturam). As figuras abaixo ilustram a interface entre o vapor e o condensado e o óleo e a água, respectivamente. Em ambos pode-se perceber que o controle do nível é feito utilizando-se o deslocador Por radiação O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um câmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a massa do líquido do tanque, a 83

84 radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida. Uma vantagem dessa técnica de medição é de as partes do sensor não possuem contato com o fluido Por capacitância Tem seu funcionamento baseado na variação da capacitância de um capacitor por meio da variação da distância entre as placas ou por substituição do dielétrico ar pelo dielétrico líquido. Em geral à medida que o nível do tanque aumenta o valor da capacitância aumenta Por ultra som A velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante destes materiais é produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em uma 84

85 material piezoelétrico, resulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor de ultra-som Medição descontínua de nível Pode ser: Por eletrodos Usado em líquidos que conduzem eletricidade Por boias É utilizado como chave de nível para indicar nível alto ou baixo. 2. Método de medição de nível de sólidos Existem vários métodos utilizados na medição de nível de sólidos, entre eles destacase: 2.1.Medição de nível de sólidos por célula de carga strain gauge. Utiliza a células de cargas que é um sensor piezoresistivo, também conhecido como 85

86 Exercício de aplicação 1 - Defina o que é nível. 2 - Qual a finalidade da medição de nível? 3 - Cite 3 métodos de medição de nível? 4 - Cite 3 tipos de medidores diretos de nível? 5 - No que consiste o medidor de nível tipo régua? 6 - Qual o princípio de funcionamento dos visores de nível? 7 - No que consiste o medidor de nível tipo bóia? 8 - Cite 5 propriedades físicas usadas na medição de nível indireta? 9 - Em que teorema se baseia a medição de nível por pressão? 10 - Como é feita a medição de nível indireta em tanques fechados e pressurizados? 11 - Calcule o pedido: a) 62% da faixa de -30 mmhg à 50 mmhg = b) 4% da faixa de 13 PSI à 25 PSI = c) 79% da faixa de 50 mmhg à 200 mmhg = d) 39% da faixa de 0,2 Kpa à 1 Kpa = e) 33% da faixa de -100 mmh 2 O à 10 mm H 2 O = 12 - Determine o pedido: a) Range do instrumento: mmh2o b) Saída do instrumento quando o nível for 78%: PSI 86

87 13 - Explique em que situação de instalação, se deve fazer o ajuste de supressão de zero em um transmissor de nível por pressão diferencial Calcule o range do instrumento em mmh 2 O: Range = mm H 2 O 15 - Determine o pedido: a) Range do instrumento: H 2 O b) Saída do instrumento quando o nível for 37%: PSI c) Nível quando a saída for 13,6 PSI: % 87

88 16 - Explique em que situação de instalação, se deve fazer o ajuste de elevação de zero em transmissor de nível por pressão diferencial Determine o range do instrumento em mmh 2 O: Range = mmh 2 O 18 - Determine o range do instrumento em H 2 O: Range = H 2 O 88

89 19 - Determine o pedido: Range do instrumento: mmh 2 O Saída do instrumento quando o Diferencial de Pressão for = 0: PSI 20 A medição de nível por borbulhador baseia-se em que princípio físico? 21 - Em que princípio se baseia a medição de nível por empuxo? 22 - O que diz o princípio de Arquimedes? 23 - Defina o que é interface No que consiste a medição de nível por raios gamas (radiação)? 25 - Defina o que são medidores descontínuos de nível Cite 1 (um) dispositivo utilizados na medição de nível de sólidos? 89

90 VIII MEDIDORES DE TEMPERATURA Termometria: É a ciência que estuda e desenvolve os instrumentos de medidas de temperatura. Está divida em: Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação térmica passam a se manifestar. Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero absoluto de temperatura. Conceitos fundamentais: Temperatura: É uma propriedade da matéria, relacionada com o movimento de vibração e/ou deslocamento dos átomos de um corpo. Calor: É a transferência de energia entre corpos com diferentes temperaturas. Relação entre as escalas termométricas Escala Celsius (ºC) Escala Fahrenheit (ºF) Escala Kelvin (K) Relação entre a pressão e temperatura 90

91 Termômetro: É o aparelho que mede a temperatura. Podem ser classificados como: 1º grupo (contato direto): o elemento sensível está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. 1 Termômetro à dilatação 1.1 De líquidos 1.2 De sólido 2 Termômetro à pressão 2.1 De gás 2.2 De vapor 3 Termômetros elétricos 3.1 Termoelementos ou Termopar 3.3 Termômetro de resistência elétrica ou Termoresistência 2º grupo (contato indireto): o elemento sensível não está em contato com o corpo cuja temperatura se quer medir. 4 Pirômetro óptico 5 Pirômetro infravermelhos 6 Pirômetro de radiação Termômetros de contato direto 1. Termômetro à dilatação 1.1. De líquido - São baseados no fenômeno da dilatação aparente de um líquido dentro de um recipiente Fechado. O líquido mais utilizado é o mercúrio. 91

92 Pode ser: Recipiente de vidro transparente Recipiente metálico: o elemento sensor pode ser: C, espiral ou helicoidal De sólidos - Baseia-se no fenômeno da dilatação linear dos metais com a temperatura. 92

93 2. Termômetro à pressão 2.1. De gás Fisicamente idêntico ao termômetro de dilatação de líquido, sendo composto de um bulbo, elemento de medição e capilar de ligação entre esses dois elementos. Nesse termômetro o volume do conjunto é constante e preenchido com um gás a alta pressão. Com a variação da temperatura o gás sofre uma expansão ou contração térmica, resultando assim em uma variação da pressão. O funcionamento deste termômetro está alicerçada na Lei de Gay-Lussac, da teoria geral dos gases que afirma: As variações de pressão são linearmente dependentes da temperatura, sendo o volume constante De vapor Esse termômetro, assim como o anterior, também possui uma construção muito semelhante ao termômetro de dilatação de líquidos. 93

94 Para qualquer variação da temperatura haverá uma variação na tensão de vapor do gás liquefeito colocado no bulbo do termômetro e, em conseqüência disso, uma variação na pressão dentro do capilar. 3. Termômetros elétricos 3.1. Termoelementos ou Termopar Baseia-se na geração de uma FEM (força eletromotriz), da ordem de mv, devido à junção de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades. Esse fenômeno é conhecido por efeito termoelétrico de Seebeck. Isso significa que, para uma determinada temperatura existe uma FEM da ordem de mv. Dessa forma é possível construir uma tabela relacionando Temperatura e FEM. Por questão de nomenclatura, adota-se: T1 é a junção de medição ou junção quente: É a ponta que fica em contato com o corpo a que se quer medir a temperatura. Tr é a junção de referência ou junção fria: É a ponta a qual é feita a conexão com o aparelho responsável pela medição da FEM gerada. 94

95 Princípio de funcionamento - A junção de condutores distintos A e B, formando um circuito fechado, submetidos a uma diferença de temperatura nas suas extremidades faz surgir uma corrente elétrica. Quando este circuito é interrompido, surge uma força eletromotriz (FEM) E AB. E AB = f( T) E AB = E T1 E Tr Compensação da temperatura ambiente (T r ) Geralmente a junção de referencia fica localizada em uma sala, onde a temperatura ambiente gera um potencial elétrico nessa ponta. Esse potencial elétrico gerado nessa junção induz o operador a erro na medição da temperatura do corpo. Para evitar esse tipo de ocorrência recorre-se à compensação da temperatura ambiente, ou seja, soma-se o resultado da FEM encontrada, ao potencial elétrico gerado pela temperatura ambiente. A estratégia é forçar que a temperatura na junção de referencia seja 0 C, dessa forma, o potencial elétrico nessa ponta também será 0 mv. A figura abaixo mostra uma técnica, onde se força a temperatura na junção de referencia para 0 C por meio de um banho, dessa ponta, em água de fusão. Geralmente, com as tecnologias que dispomos atualmente, essa compensação é feita por meios computacionais. 95

96 Exemplo de sala de aula 1)Um termopar é utilizado para medir a temperatura de um corpo. Sabe-se que a temperatura ambiente é de 25 C na conexão ao instrumento e a FEM térmica gerada no instrumento é de 3,059 mv. Determine: Dados: 25 C = 1,000mV; 2,059mV = 50,5 C; 4,059mV = 100 C; 3,059mV = 75 C. a) Qual a temperatura medida pelo instrumento considerando que não houve compensação da temperatura ambiente? b) Qual a temperatura medida pelo instrumento após a compensação da temperatura ambiente? Tipos e características dos termopares Termopares de Base Metálica ou Básicos Tipos: T, J, K e E. São os termopares de maior uso industrial Os fios possuem um custo relativamente baixo Sua aplicação admite um limite de erro maior. Termopares Nobres ou a Base de Platina. Tipos: S, R e B; São constituídas por ligas de platina; Possuem um custo elevado; Altíssima precisão. O gráfico abaixo mostra a relação entre a FEM e a temperatura dos diversos tipos de termopares. 96

97 Materiais que compõe os termopares A tabela abaixo mostra a relação entre a temperatura e a FEM para um termopar do tipo K: 97

98 Exemplo de sala de aula 1)Determine: a) A FEM para 58 C; b) A temperatura para uma FEM de 5,206 mv. Montagem do termopar convencional 1 Isoladores: tem a função de isolar eletricamente os termoelementos e resistir a altas temperaturas. São feitos de cerâmica ou alumina (alumínio). 2 Blocos de ligação ou terminais: tem a função de interligar o termopar ao fio ou cabo de extensão ou compensação, e prendê-los no cabeçote. 3 Cabeçotes: tem a função de proteger os contatos dos bloco de ligação, facilitar a conexão do tubo de proteção, além de manter uma temperatura estável nos contatos do bloco de ligação. 4 Tubos de proteção: tem a função de proteger os termopares de ambientes de trabalho (processos). Termopar com isolação mineral - É constituído de um termopar convencional, envolvido por um pó isolante de óxido de magnésio, altamente compactado e protegidos por uma bainha metálica (tubo de proteção). É composto por 3 partes: Bainha metálica; Termoelementos; Isolação mineral. 98

99 Tipos de junções de medição A depender do tipo de processo e da sensibilidade necessária para o mesmo, pode-se adotar um dos tipos de junção de medição conforme abaixo: Fios e cabos de extensão e compensação Os fios e cabos utilizados para fazer a conexão entre o bloco de terminais do termopar e a sala de controle podem ser apenas de extensão ou de extensão e compensação. A diferença básica entre os dois está no fato de que o primeiro apenas faz a extensão, sem qualquer tipo de compensação, e a segunda faz a extensão e a compensação, ou seja, conduz o sinal gerado pelo sensor e compensa as perdas de temperatura existentes entre a junção de referência (cabeçote) do sensor e os bornes do instrumento. Poço de proteção termoelétrico É um acessório dos termômetros elétricos. São utilizados para permitir a instalação de termopares ou termoresistência em ambientes em que somente o tubo de proteção não é suficiente. 99

100 3.3. Termômetro de resistência elétrica ou Termoresistência - São sensores que se baseiam no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura. Elas aumentam a resistência com o aumento da temperatura. Fisicamente se assemelham muito ao termopar, porém o princípio de funcionamento é diferente. O material utilizado é o cobre, o níquel e a platina pois apresenta uma ampla escala de temperatura. Popularmente no meio industrial é mais comum se utilizar como material da resistência a platina e chamamos de Pt 100. Dessa forma, Pt 100 nada mais é do que um termoresistor de platina que apresenta uma resistência ôhmica de 100 Ω à 0 C. As figuras abaixo mostra a composição do Pt 100. Esquema de montagem da termoresistência (ponte de weatstone) Basicamente o princípio de funcionamento dos termoresistores está baseado na medição de uma resistência elétrica quando submetido a uma variação de temperatura. Isso deve ao fato de que a resistência elétrica é influenciada pela temperatura, como explica a 100

101 teoria da dilatação térmica dos sólidos. Dessa forma, uma técnica muito utilizada para determinar a nova resistência é pela ponte de weatstone. Pela teoria, em uma ponte de weatstone, quando os potencias dos pontos A e B forem iguais, não haverá corrente elétrica entre estes pontos e, dessa forma, o galvanômetro indicará i = 0 ma e é dito que a ponte está em equilíbrio. Quando isso ocorre podemos relacionar as resistências pelo produto, conforme indica a figura abaixo: Verifique que é necessário ter duas resistências de intensidades iguais e um reostato, que neste caso está sendo indicado pelo R 3. Dessa forma, se tivermos uma ponte em desequilíbrio, proporcionada pela modificação da resistência elétrica em decorrência da variação de temperatura, o galvanômetro indicará a presença de corrente elétrica. O reostato deverá modificar seu valor até que o galvanômetro indique corrente elétrica zero e a ponte volte a ficar equilibrada. Como as duas resistências tem valores iguais, para que os produtos sejam iguais é necessário que o valor da resistência desconhecida seja igual ao valor indicado no reostato. Por fim, pela tabela, verificamos qual temperatura decorrente desta nova resistência. Esquema de montagem da termoresistência - De acordo com o comprimento dos condutores entre o sensor e o aparelho indicador, e de acordo com a preciso desejada, serão usados circuitos de dois, três e quatro fios. a. Circuito ponte a dois condutores Essa configuração é adotada quando não se necessita elevada precisão na medida. Além disso, é conveniente que essa disposição seja utilizada quando a distância entre os pontos de medição e leitura (comprimento dos condutores de ligação) não supere os três metros. 101

102 b. Circuito ponte a 3 fios É o método mais utilizado dentro da industria. A configuração elétrica nessa montagem permite que a fonte fique o mais próximo possível do sensor. Desse modo a resistência RL 1 oferecida pelo condutor central irá balancear o circuito, podendo então essa configuração ser utilizada em instalações de comprimentos superiores a três metros. c. Circuito ponte a quatro condutores A montagem a quatro fios, entretanto, é a mais precisa para termoresistências. Esse tipo de ligação é mais usado em laboratórios de calibração; é pouco usada industrialmente porque sua montagem é mais trabalhosa e complexa. Termômetros de contato indireto A transmissão de energia por radiação ocorre por meio das ondas eletromagnéticas, que são classificadas conforme a sua frequência ou comprimento de onda. 102

103 Em geral, existem vários tipos de pirômetros de radiação, alguns deles serão destacados a seguir, são eles: Pirômetro óptico, pirômetro de radiação total e pirômetro de infravermelho. 4. Pirômetro infravermelhos e Pirômetro de radiação total Esses aparelhos baseiam-se na detecção da radiação, proveniente de um objeto, por meio de uma convergência das ondas, proporcionado por uma lente ou um espelho esférico. A figura abaixo ilustra o princípio de funcionamento desses instrumentos. 5. Pirômetro óptico É um instrumento com o qual a luminosidade desconhecida de um objeto é medida comparando-a com a luminosidade conhecida de uma fonte padrão. As imagens observadas pela ocular contem o filamento e o objeto incandescente sobrepostos. A figura seguinte descreve o que se vê em três situações possíveis, sendo T f = temperatura do filamento e t 0 = temperatura do objeto. 103

104 Exercícios de aplicação 1 questão) Conceitue. a) Pirometria; b) Criometria. 2 questão) Defina. a) Temperatura; b) Calor. 3 questão) Quais são os termômetros de contato direto? 4 questão) Quais são os termômetros de contato indireto? 5 questão) Fale sobre o princípio básico de funcionamento dos termômetros de dilatação. 6 questão) Qual tipo de medidor de pressão pode ser utilizado nos termômetros de dilatação e de pressão? 7 questão) Explique o princípio de funcionamento dos termopares. 8 questão) Cite os termopares do tipo básicos ou de base metálica e descreva suas características. 9 questão) Cite os termopares do tipo nobres ou de base de platina e descreva suas características. 10 questão) O que é termopar de isolação mineral? 11 questão) Quais os tipos de junção de medição. 12 questão) Qual a função dos fios e cabos de extensão e compensação? 13 questão) Quais as partes básicas de um termopar de isolação mineral? 14 questão) Qual a finalidade dos poços de proteção termoelétrica? 15 questão) Defina termoresistores e cite os materiais utilizados nos termoresistores? 16 questão) O que é um PT - 100? 17 questão) Qual o princípio de funcionamento básico dos pirômetros de radiação? 18 questão) Em quais situações os pirômetros de radiação são indispensáveis? 104

105 IX CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO Principais problemas para o controle de processos O maior problema no controle de processos são os atrasos. Podem ser: a) Atrasos no processo (capacitivo) - São atrasos proporcionados pela incapacidade do processo em absorver ou devolver energia de modo instantâneo. Ex: Uma variação brusca da vazão de entrada (gera variação em degrau), proporciona uma saída exponencial. b) Atrasos na medição (resistivo) - tempo morto Tempo morto tempo decorrido desde a variação da energia do sistema até a detecção dessa energia pelo sensor. Fatores determinantes para o tempo morto A velocidade de detecção do sinal depende: Do tipo de sensor; Do tipo de variável; Da localização do sensor. Análise das variáveis quanto ao tempo morto: Vazão: Dinâmica muito rápida, sendo pequeno o tempo morto. 105

106 Pressão e nível: Como a vazão são também variáveis de rápida detecção. Temperatura: Se o sensor for introduzido diretamente no processo, o sinal é relativamente rápido, porém com o uso do poço de proteção essa detecção se torna lenta. c) Atrasos na transmissão São os atrasos proporcionados na transmissão dos valores das variáveis medidas, próprios dos sistemas de transmissão pneumáticos. Resumo dos três tipos de atrasos O sistema de controle abaixo ilustra os três tipos de atrasos que podem ocorrer no processo automático Ação do controlador 106

107 1 Direta: Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. (e = PV SP) 2 Inversa (reversa) Dizemos que um controlador está funcionando na ação reversa quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo. (e = SP PV) Modelos de malhas de controle 1 Controle em cascata: É aplicada quando os efeitos dos distúrbios sobre a variável manipulada afetam a variável controlada. 2 Controle de razão: É aplicado quando se deseja fazer ajuste de vazões mantendo uma certa razão entre substâncias diferentes. (R=A/B) 107

108 3 Controle seletivo: Utilizado para dar prioridade no controle de uma determinada variável manipulada por meio de seletores de sinal. (aumentando a segurança do processo). 4 Controle em faixa divida (split-range): Envolve normalmente duas válvulas de controle operadas pelo mesmo controlador. Geralmente: Válvula 1 Fecha com sinal de 0 a 50%; Válvula 2 Abre com sinal de 50 a 100% Ação de controle em processos contínuos 1. Auto-operado O controlador utiliza o próprio fluido do processo para operar o processo. 108

109 2. Liga-desliga (on-off) - Quando a variável passa pelo ponto de ajuste o controlador muda sua saída de ligado para desligado. Obs: Prevalência de oscilações e erro por off-set no sistema. 3. Proporcional (P) - Fornece uma saída proporcional ao erro. Faixa ou Banda proporcional (FP ou BP): É o erro requerido, da variável do processo para movimentar a válvula de controle desde totalmente aberta até totalmente fechada. Ganho proporcional (K C ou K P ): É a sensibilidade do controlador. 109

110 Relação entre FP e Kp Quanto menor a faixa proporcional, maior será o movimento da válvula em relação ao mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será a ação proporcional. Aumentando o ganho proporcional (K p ) o erro diminui e o sistema responde de forma mais rápida, porém aumentam as oscilações e o tempo para estabilização da variável. 4. Proporcional-integral (PI) A velocidade de correção é proporcional ao erro. Essa ação elimina o erro (off-set) da ação proporcional. Abaixo segue a equação que deescreve a ação proporcional mais integral. MV=sinal de saída do controlador; DV=Desvio Kp=ganho proporcional Ki=1/Ti=Ganho integral (Ti=tempo integral (min)) 110

111 (Ki é dado em repetições por minuto). So=saída do controlador quando o erro é zero (Bias) T=tempo para o qual se deseja saber a saída MV A ação de controle proporcional mais integral une as características das duas. Pela ação proporcional foi possível melhorar a oscilação no processo, contudo, mantém o erro por off-set. Dessa forma, o incremento da ação integral melhora o erro por off-set, pois atua durante a existência do erro. Abaixo segue algumas características da ação integral. A ação integral elimina o off-set que existiria se o controle fosse só proporcional; A saída do controlador integral aumenta enquanto existir erro, até atingir o valor máximo de saída; Quanto mais tempo o erro perdurar, maior será a saída do controlador; Se o erro for maior, a resposta do controlador será mais rápida, ou seja, a reta de saída do controlador será mais inclinada; Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição. O gráfico abaixo mostra o comportamento do controlador por ação PI com a variação do ti (tempo integral). Quando o valor de ti é grande, a aproximação da variável em relação ao ponto de ajuste é lenta. Quando o valor de ti é pequeno, a variável oscila e demora para estabilizar. 111

112 5. Proporcional-derivativo (PD) O controle derivativo antecipa o erro atuante e inicia uma ação corretiva mais cedo, tendendo a aumentar a estabilidade do sistema. Uma vantagem em usar ação de controle derivativa é que ela responde à taxa de variação do erro atuante e pode produzir uma correção significativa antes de o valor do erro atuante tornar-se demasiadamente grande. Devido ao fato do controle derivativo operar sobre a taxa de variação do erro atuante e não sobre o próprio erro atuante, este modo nunca é usado sozinho. É sempre utilizado em combinação com ação proporcional ou ação proporcional-mais-integral. A equação abaixo descreve o comportamento da ação proporcional mais derivativa. Kd=Td=Ganho derivativo (minutos) Td=tempo devirativo DE/dt=taxa de variação do erro O gráfico abaixo descreve o comportamento do controlador por ação PD para diferentes valores de tempo derivativo, mantendo o ganho proporcional constante. O gráfico descrito abaixo mostra o comportamento do controlador por ação PD para diferentes valores de tempo derivativo e de ganho proporcional. 112

113 6. Proporcional-integral-derivatico (PID) - Corresponde às três ações de controle atuando juntas. Abaixo é mostrado o gráfico descrevendo o comportamento do controlador devido à ação proporcional, proporcional mais integral e proporcional mais integral mais derivativo. A figura abaixo mostra um exemplo de tela utilizada para configuração dos parâmetros do controlador PID para sistemas contínuos. 113

114 CONSIDERAÇÕES FINAIS Esta apostila abordou sobre o tema automação e controle de processos industriais contínuos. Foi elaborada com o intuito de auxiliar os alunos no estudo sobre o tema. A aplicação da automação para o controle de processos, mais especificamente na industria, tem entre outras vantagens tornar o sistema mais seguro e eficiente. Ressaltamos a importância dessa atividade para a compreensão dos princípios básicos que norteiam os sistemas industriais. Acreditamos que este conhecimento poderá ser a mola propulsora para atividades mais avançadas no futuro, além de ampliar o campo de visão sobre o controle automático de processos industriais. Vale deixar claro que a apostila deve servir de instrumento auxiliar, sendo a consulta aos livros indispensável ao aprendizado do tema. 114

115 Referências Bibliográficas BEGA, E. A. (ORG.). Instrumentação Industrial. 2 ed, Rio de Janeiro, Interciência: IBP, BOLTON, N. Instrumentação e Controle. Curitiba: Hermus, CALIL, B. M. Apostila de sensores, Editora Reman, Taubaté, FIALHO, A. B. Instrumentação Industrial: conceitos, aplicações e análises, 6 ed, São Paulo: Érica, SOISSON, Harold E. Instrumentação industrial. 2.ed. São Paulo: Hemus, c p. THOMAZINE, D. e ALBUQUERQUE, P. U. B. Sensores Industriais. Fundamentos e aplicações, Editora Érica, São Paulo,

116 ANEXOS 116

117 Tabela dos termopares 117

118 118

119 119

120 120

121 121

122 122

123 123

124 124

125 125

126 126

127 127

128 128

129 Tabela dos termoresistores 129

130 130