CONTROLE OP. & INSTRUMENTAÇÃO TEMPERATURA

Apresentação em tema: "CONTROLE OP. & INSTRUMENTAÇÃO TEMPERATURA"— Transcrição da apresentação:

1 CONTROLE OP. & INSTRUMENTAÇÃO TEMPERATURA
Prof. Arnaldo I. T. Consultant I. A. I. Consultant

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3 Temperatura Variável de Processo
como Variável de Processo

4 TERMOPARES ou Thermocouples

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7 Um Termopar se consiste de 2 Condutores Metálicos, de
Natureza distinta, na forma de Metais Puros ou Ligas Homogêneas, sendo estes Fios soldados em um de seus Extremos (“Junta Quente” ou “Junta de Medição”) ; As outras Extremidades dos Fios (“Junta Fria” ou “Junta de Referência”) serão conectadas a um Instrumento de Medição de F. E. M., fechando o Circuito Elétrico ;

8 Existem várias Combinações de 2 Metais Condutores
que poderão ser utilizadas como Termopares & estas devem possuir Relação razoavelmente Linear entre os Valores F. E. M. & Graus de Alteração da Temperatura a serem detectados pelos Instrumentos de Medição ; Valores de F. E. M. gerados no Termopar dependem da Composição Físico-Química dos Condutores & tb. da Diferença de Temperatura apresentada entre as Juntas ;

9 O Aquecimento das Junções dos 2 Metais gera F. E. M.
de Característica Termoelétrica & essa D. D. P. na Extremidade Oposta à Junta de Medição NÃO SERÁ F. E. M. real, mas o Valor da D. D. P. entre a Junta de Medição & de Referência ; Por isso, é preciso conhecer a Temperatura da Junta de Referência ou mesmo mantê-la controlada para que se obtenha, SEM Erros, a D. D. P. real do Termopar ; Essa F. E. M. é convertida em Sinal Padrão para indicar a Temperatura na Junta de Medição, sendo que, existem Circuitos Eletrônicos que compensam automaticamente os Valores Térmicos obtidos, enquanto nas Soluções de Medidas mais antigas, havia necessidade de se instalar Módulo Op. somente para efetuar o Controle Funcional da Temperatura na Junta de Referência ;

10 Efeitos Termoelétricos : Quando 2 Metais ou
Semicondutores dissimilares são conectados & suas Junções submetidas a Temperaturas diferenciadas, ocorrerão, simultaneamente, Fenômenos Físico- Químicos conhecidos como : Efeitos SEEBECK, PELTIER, THOMSON, VOLTA & JOULE ; A Termoeletricidade foi constatada como sendo um Fenômeno Físico em 1821, por T. J. Seebeck ( Físico – Estônia ), ao comprovar que em um Circuito Fechado formatado por 2 Condutores Metálicos diferentes, ocorrerá Circulação de Corrente Elétrica, enquanto existir Diferença de Temperatura entre as suas Junções Físicas ;

11 Embora, na prática, se possa construir um Termopar com
q.q. Combinações de Metais, utilizam-se apenas certas Combinações Normalizadas, isto porque estas geram D. D. P.s conhecidas & suportam algumas Faixas de Temperatura consideradas Altas, adequadas a vários Tipos de Aplicações Práticas que são especificadas em Tabelas que indicam as F. E. M.s produzidas para os Valores de Temperatura suportados, conforme os Tipos de Termopares a serem utilizados nos Processos ; Assim, não basta conectar um Voltímetro ao Termopar & registrar D. D. P. produzida, pois ao se fazer isso, haverá aparecimento de uma “Junção Indesejada” neste Termopar & para se fazerem Medições Corretas & tb. Exatas, este Efeito deverá ser anulado, o que é feito pela Técnica da Compensação por Junção Fria ;

12 Interessante é que ao se conectar um Voltímetro a um
Termopar tal Arranjo Físico NÃO serão consideradas várias Junções Adicionais ( Conexões do Termopar, do I. M. E. E., das Interconexões, ... ) & a Resposta está na “Lei dos Metais Intermediários” que preconiza : A F. E. M. gerada por um Par Termoelétrico não será alterada se inserirmos em qualquer Ponto do Circuito, um Metal Genérico diferente daqueles que compõem o Sensor, desde que as novas Junções formadas sejam mantidas na mesma Temperatura ;

13 As Tabelas Normatizadas dão os Valores da Tensão
de Saída do Termopar considerando a 2ª. Junção do (“Junção Fria”) exatamente a 0° Celsius, pois a Leitura desta 2ª. Temperatura é utilizada, em Conjunto com a Leitura do Valor da Tensão do próprio Termopar, para o Cálculo da Temperatura na Extremidade do Termopar ; Nas Aplicações menos exigentes, a Compensação por Junção Fria é feita por um Semicondutor Sensor de Temperatura, combinando adequadamente o Sinal deste Sensor com aquele obtido pelo Termopar ; É muito entender a Compensação por Junção Fria, pois quaisquer Erros nas Medições de Temperatura desta Junção ocorrerão Erros Grosseiros nos Valores de Temperatura obtidos na outra Ponta do Termopar ;

14 O I. M. E. E. utilizado na Montagem deve possuir
Capacidade de lidar com Compensação da Junção Fria & com o fato da Saída do Termopar NÃO ser uma Função Linear por Natureza Física, pois esta Relação é Equação Polinomial de 5ª. a 9ª. Ordem, dependendo do Tipo do Termopar analisado ; Existem I. M. E. E. Digitais Pré-programáveis que armazenam Valores das Tabelas dos Termopares visando eliminar este Tipo de Fonte de Erros ; Note-se também que a Escolha de um Termopar deve assegurar que o I. M. E. E. adotado NÃO venha limitar as Faixas de Temperatura medidas, nem os Níveis de Exatidão Op. a serem obtidos ;

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17 # Tipo K ( Cromel / Alumel ) : Genéricos, baixo Custo, para
variados Tipos de Sondas Térmicas, Sensibilidade Op. ≈ 41µV/°C, muito indicado para Processos Produtivos com Temperaturas > 540°C em Metalúrgicas, Siderúrgicas, Fundições, Usinas de Cimento & Cal, Vidros, Cerâmicas ; Termoelemento + (KP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento - (KN): Ni95%Mn2%Si1%Al2% (Alumel) Faixa de Utilização : -270°C a 1200°C F. E. M. produzida : -6,458 mV a 48,838 mV # Tipo E ( Cromel / Constantan ) : Sensibilidade ≈ 68 µV/°C, sem Risco de Contaminação por Umidade, adequado para Processos Produtivos a Baixas Temperaturas em Indústrias Químicas & Petroquímicas ; Termoelemento + (EP): Ni90%Cr10% (Cromel) Termoelemento - (EN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de Utilização: -270°C a 1000°C F. E. M. produzida: -9,835 mV a 76,373 mV

18 # Tipo J ( Ferro / Constantan ) : Gama Op. baixa, Baixo Custo,
utilização com Termopares menos recentes com I. M. E. E.s mais antigos, pois acima de 760°C sofrem Problemas Magnéticos que prejudicam muito Calibrações & Resultados Técnicos, sendo usados em Indústrias em geral, Aplicações Energéticas, Metalúrgicas, Aplicações Químicas, Laboratórios Acadêmicos, ... Termoelemento + (JP): Fe99,5% Termoelemento - (JN): Cu55%Ni45% (Constantan) Faixa de Utilização: -210°C a 760°C F. E. M. produzida: -8,096 mV a 42,919 mV # Tipo T ( Cobre / Constantan ) : Indicados para Ambientes de Trabalho com Atmosferas Oxidantes (exceto O2 Puro), Inertes (Neutras), Redutoras (Hidrogênio & Monóxido de Carbono), no Vácuo em Indústrias de Refrigeração, Pesquisas Agronômicas, & Ambientais, Indústrias Químicas & Petroquímicas ; Termoelemento + (TP): Cu100% Termoelemento - (TN): Cu55%Ni45% ( Constantan ) Faixa de Utilização: -270°C a 400°C F. E. M. produzida: -6,258 mV a 20,872 mV

19 # Tipo B ( Platina / Ródio-Platina ) : Termopares Tipos
B, R & S possuem Características Técnicas Op. muito semelhantes, sendo muito Estáveis & Precisos, contudo, devido à Reduzida Sensibilidade ( ≈ 10 µV/°C ), são empregados normalmente para medir Temperaturas acima de 300°C ou mesmo muito Maiores ; Termoelemento + (BP): Pt70,4%Rh29,6% (Ródio-Platina) Termoelemento - (BN): Pt93,9%Rh6,1% (Ródio-Platina) Faixa de Utilização: 0°C a 1820°C F. E. M. produzida: 0,000 mV a 13,820 mV Permite uso de Cabos de Extensão de Cobre comum se a Conexão com o Termopar estiver entre 0°C a 50°C, mesmo se tal Conexão estiver à Temperatura diferente do I. M. E. E. &/ou do Dispositivo Processador de Sinal Elétrico, caso de um Transmissor TT ;

20 # Tipo R ( Platina / Ródio-Platina )
Reduzida Sensibilidade ( 10 µV/°C ), Não devem ser usados no Vácuo, Atmosferas Redutoras ou com Gases Metálicos, a não ser que estejam bem protegidos por Tubos & Isoladores de Alumina, possuindo um Custo considerado Elevado ; Termoelemento + (RP): Pt87%Rh13% ( Ródio-Platina ) Termoelemento - (RN): Pt100% Faixa de Utilização: -50°C a 1768°C F. E. M. produzida: -0,226 mV a 21,101 mV # Tipo S ( Platina / Ródio-Platina ) Reduzida Sensibilidade ( 10 µV/°C ), Alta Estabilidade Op., mas muito Preciso, para Uso em q.q. Ambiente Funcional, mas que é considerado de Custo bem elevado ; Termoelemento + (SP): Pt90%Rh10% ( Ródio-Platina ) Termoelemento - (SN): Pt100% F. E. M. produzida: -0,236 mV a 18,693 mV Aplicações em Siderúrgicas, Fundições, Metalúrgicas, Usinas de Cimento & Cal, Cerâmicas, Vidros & Pesquisas Científicas ;

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25 # Termopares Especiais : Os Termopares
mais utilizados na maioria dos Processos Industriais oferecem, cada qual, as suas Características Op. , porém, apresentam também Restrições de Aplicação a serem consideradas & assim sendo, outros Tipos foram desenvolvidos para que atendam Condições Técnicas de Processos aonde os Termopares Básicos realmente NÃO podem usados, por Motivos Técnicos ;

26 # Platina / 40% Rhódio ou de Platina / 20%
# Irídio 40% -- Rhódio / Irídio : Utilizados por Períodos limitados até 2000°C ; # Platina / 40% Rhódio ou de Platina / 20% Rhódio : Utilizados em substituição aos Termopares Tipo B para Temperaturas pouco mais elevadas, podendo ser usados continuamente até 1600°C & também por curtos períodos de tempo até 1850°C ; # TIPO C - Tungstênio / Rhênio : Usados continuamente até 2300°C & por curtos períodos de tempo até 2750°C ;

27 # Tipo N ( Nicrosil + / Nisil - ) : Estabilidade Op.
elevada, Resistência à Oxidação quando em Altas Temperaturas, sendo adequados para Medições de Temperaturas elevadas, possuindo uma Faixa de Utilização de 650°C a 1260°C, para as Aplicações em que NÃO se quer incorporar Termopares que possuam Platina em suas Constituições ( Tipos B, R & S ), tendo sido inicialmente projetado como uma “Evolução Técnica” dos Termopares Tipo K ; # Ouro-Ferro / Chromel : Desenvolvidos para que operem em Processos Produtivos que ocorrem em Temperaturas Criogênicas ;

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29 Termopares de Isolação Mineral são
constituídos de 1 ou 2 Pares Termoelétricos, envolvidos por um Pó Isolante de Óxido de Magnésio, altamente compactado em uma Bainha Externa Metálica que protege os Condutores do Sensor Termoelétrico contra as Atmosferas Op. Exteriores & conseqüentemente, a Durabilidade destes Termopares depende da Resistência à Corrosão dos Materiais usados na Composição de sua Bainha & NÃO mais da Resistência Corrosiva dos Materiais que estão formatando os seus Condutores de Sinais ;

30 Dimensões Reduzidas - Processos de Fabricação permitem obter Termopares de Isolação Mineral com Bainhas de Diâmetro Externo até ≈ 1,0 mm, permitindo a Medição de Temperatura em Locais aonde NÃO se usam Termopares Convencionais ; Facilidade de Instalação – A Maleabilidade dos Cabos, suas Pequenas Dimensões, Comprimentos Longos, Elevada Resistência Mecânica permitem Instalação em Situações de Montagem difíceis ; Adaptabilidade – Os Processos de Fabricação permitem também tratar estes Termopares como Condutores Sólidos, as Capas Metálicas admitem Montagens Op. com vários Tipos de Acessórios, além de seus Diâmetros-Padrão poderem ser alterados conforme as próprias Necessidades Op. &/ou Configurações Técnicas desejadas ;

31 Resistência Mecânica – MgO2 em Pó contido na Bainha Metálica, muito bem compactado, faz com que os Condutores fiquem sempre bem posicionados, permitindo que os Cabos sejam dobrados, achatados, torcidos ou até estirados, suportando Pressões Mecânicas Externas & Choques Térmicos, sem perder suas melhores Propriedades Termoelétricas ; Resistência à Corrosão - Bainhas podem ser selecionadas adequadamente para resistirem aos mais diversos Ambientes Corrosivos ; Resistência de Isolação Elevada - Suportando vasta Gama de Temperaturas Op., mesmo em Condições Críticas de Umidade ;

32 Blindagem Eletrostática – As Bainhas deste Tipo de Termopar, se devidamente aterradas, oferecem ótima Blindagem Eletrostática ; Estabilidade de Tensão - Caracterizada em função dos Condutores serem completamente protegidos contra as Ações de Gases & outras Condições Ambientais adversas causadoras de Oxidação & Perdas F. E. M. no Sensor ; Resposta Rápida - Pequena Massa & Altíssima Condutividade Térmica do MgO2 em Pó proporcionam Tempos de Resposta Op. virtualmente iguais ao de um Termopar Normal de Dimensões Físicas equivalentes ;

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46 Termopares Flexíveis são produzidos a partir de
Cabos de Extensão de Termopares Tipo H, J & T que se dobram facilmente, isolados com Fibra de Vidro, envolvidos com Trança Metálica para Proteção Mecânica & Blindagem Eletrostática ; Isolações aplicadas em Montagens com Cabos de Extensão dependerão das próprias Faixas de Temperatura dos Processos & Aplicações Op., tais como : Injetoras de Plásticos, Extrusoras, Máquinas-Ferramenta em geral, Cerâmica & Vidro, Estufas, Câmaras Frigoríficas, ...

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50 Cabos de Extensão & Compensação Op.
Os Tipos de Isolação destes Cabos devem ser escolhidas de forma a resistirem às Condições Operacionais dos Ambientes de Trabalho, considerando-se todas as Variáveis Funcionais possíveis : Temperatura, Esforços Mecânicos, Níveis de Umidade, Abrasão, Atmosferas Agressivas, Presença de Óleo, ... mesmo sabendo-se que tais Cabos são fabricados com as mesmas Ligas Metálicas dos próprios Termopares utilizados nos Processos Produtivos ;

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55 Ruídos Elétricos em Termopares
Ruídos são Sinais E. E. indesejados que podem atingir as Conexões Elétricas dos Termopares sob formato de Interferências, Distúrbios ou Perturbações significativas nos Sinais originais, alterando os próprios Parâmetros Técnicos ( F. E. M. – mV ), prejudicando Precisão Op. das Medidas Térmicas & tornando Controle Op. mais Instável & muito menos Confiável ; Para melhor Proteção contra Ruídos, Cabos de Extensão ou de Compensação deverão ser adequadamente Torcidos & Blindados ;

56 Eletrostáticos – Devido a Campos Elétricos próximos ao Sistema de Medição, ao Sensor ou aos Cabos de Extensão ou Compensação podendo ser bem atenuados por Blindagem Eletromagnética &/ou Aterramento Correto ; Modo Comum – Causados por Aterramentos Ineficientes ou Defeituosos ; Eletromagnéticos – Gerados pelos Campos Eletromagnéticos derivados da Circulação da Corrente em Condutores Elétricos sendo minimizados com a Torção adequada dos Cabos de Extensão, cancelando os possíveis Efeitos de Indução existentes ;

57 TERMOPARES & seus Cálculos Dimensionais

58 Critérios para Seleção de Termopares
• Faixa de Temperatura – determinará qual(is) Tipo(s) de Termopar poderão ser escolhido(s) ; • Exatidão Op. – deverá ser adequada aos Trabalhos aos quais se destinam o Termopar a ser escolhido ; • Custos – dependem da Exatidão Op. requerida & do Tipo de Termopar a ser adotado ; • Estabilidade, Repetibilidade & Confiabilidade Op. – Garantirão o Acerto na Escolha do Tipo de Sensor ; • Velocidade de Resposta – depende dos Tipos de Juntas & Poços de Proteção escolhidos ; • Potência Termoelétrica – Sensores Térmicos de Baixa Potência necessitam atuar com Modelos de I. M. E. E.s de Alta Sensibilidade que são bem mais caros ; • Condições dos Processos / Equipamentos – Atmosfera de Trabalho onde o Sensor estará inserido & Faixa de Temperatura Op. são determinantes na Seleção do Termopar & seus Acessórios de Montagem ;

59 Conversão F. E. M. x Temperatura
Como a Relação F. E. M. x Temperatura num Termopar NÃO é Linear, o I. M. E. E. deverá ser capaz de linearizar, de algum modo, os Sinais gerados pelo Sensor Termoelétrico ; I. M. E. E. Digitais armazenam na Memória Equação Matemática da Curva Op. do Sensor, sendo que esta é um Polinômio que alcança até o 9° Grau, dependendo da Precisão requerida ; A Conversão da F. E. M. para Temperatura tb. pode ser feita através das Leituras de D. D. P. de um Milivoltímetro & Consultas às Tabelas Padrão fornecidas pelos Fabricantes para os Tipos Op. de Termopares ;

60 Determinação da Temperatura da Junta de Medição (“Junta Quente”)
Com Temperatura a 0ºC ; Com Aquecimento Controlado & Compensação do Sinal E. E. ; Com Compensação Eletrônica da Junta de Referência ;

61 Tabelas Padrão existentes que relacionam as
F. E. M. geradas em Função das Temperaturas medidas pelos Termopares fixam a Junta de Referência a 0°C ( Solidificação da Água ), porém nas Aplicações Práticas, esta Junta é é considerada nos Terminais do I. M. E. E. & se encontra, normalmente, à Temperaturas que são diferentes de 0°C , sendo, inclusive, variáveis com o tempo, o que torna necessário executar Correções dos Valores obtidos para esta Junta de Referência, sendo que tais Correções feitas de Formas Automáticas ou Manualmente ;

62 * referente à Tambiente
FEM = VJM - VJR FEM = 2,25 - 1,22 FEM = 1,03 mV FEMCA = FEM + mV * * referente à Tambiente para realizar Correta Compensação Op. Automática ; FEMCA = VJM – VJR + mVCA FEMCA = 2,25 - 1,22 + 1,22 FEMCA = 2,25 mV Leitura F. E. M. equivalente à Correta Temperatura do Processo : T = 50 °C JM V = VJM – VJR V = 2,25 mV - 1,22 mV V = 1,03 mV  T = 20°C A Temperatura no Cálculo está Errada, pois o Valor Correto a ser indicado no Termômetro deveria ser = 50°C ; Para se calcular corretamente a Temperatura do Processo deve-se efetuar a Seqüência :

63 Compensação com Temperatura a 0ºC
ΔT = Tjunta quente – Tref Sinal ΔT = Sinal Tjquente - Sinal Tref Sinal Tjquente = Sinal ΔT + Sinal Tref Temperatura é determinada selecionando nas Tabelas dos Termopares o MELHOR Valor F. E. M. referente ao Sinal para Temperatura da Junta Quente (Tjquente) obtido da Expressão Matemática acima ;

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65 Compensação Aquecimento Controlado
Difere do Método de Compensação Op. anterior com relação à Temperatura de Referência utilizada ( Valor > 0°C ) que é mantida por Resistências Elétricas que são controladas por Termostato visando proporcionar Condições favoráveis à Utilização Industrial do Sensor ; Sinal referente a esta Temperatura será fornecido por Circuito de Compensação para o I. M. E. E. Receptor ;

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67 Compensação Op. Eletrônica da Junta
de Referência Sinal F. E. M. captado pelo I. M. E. E. fornecido já com o Valor Corrigido, pois nestes Aparelhos existe um Sensor de Temperatura Tipo R. T. D., P. T. C. ou N. T. C., associado a um Circuito Eletrônico Conversor Digital ou Analógico, que mede continuamente a Temperatura Ambiente & suas Variações, adicionando ao Sinal que vem do Termosensor o Valor da D. D. P. referente à Diferença da Temperatura Local aonde está o Processo medido para Referência Op. = 0°C ;

68 Exercícios Aplicativos
TERMOPARES Exercícios Aplicativos

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71 # Tmáx com Cabo Compensação Ø 1,63 mm ???
1 – Determinar corretamente os Itens abaixo para um Termopar Tipo K nas seguintes Condições Op. : a) Sinal F. E. M. gerado se TJunta Quente é 435ºC & a Tambiente = 23ºC ??? b) Sinal F. E. M. se TJQ = 443ºC & Tref = 31ºC ??? c) De que Materiais este Termopar é feito ??? d) Tmáx com Cabo Compensação Ø 1,63 mm ??? 2 – Sinal F. E. M. medido no Multímetro = 15,467mV com Termopar Tipo R & a TAmbiente está em 38ºC, que Temperatura foi mensurada no Termopar ??? # De que Materiais este Termopar é feito ??? # Tmáx com Cabo Compensação Ø 1,63 mm ???

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