SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES

Apresentação em tema: "SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES"— Transcrição da apresentação:

1 SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES
Propriedades gerais de um sensor Ótima exatidão de medida Durabilidade Facilidade de recalibração e recondicionamento Sensibilidade e resolução Seletividade Resposta rápida Estabilidade por longo período de trabalho

2 Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos
Operação contínua Insensibilidade a interferentes e outros fatores ambientais Aceitabilidade pelo usuário Segurança de uso Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos Higiene Esterilização Assepsia Material de construção Inserção e remoção

3 Sensores de parâmetros físicos
Temperatura É definida como o grau de agitação térmica das moléculas da matéria; é uma propriedade intensiva Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos da radiação térmica passam a se manifestar Criometria: medição de baixas temperaturas, normalmente abaixo de zero Termometria: termo abrangente, que inclui os dois casos acima

4 Transferência de calor: Condução (energia passa de uma molécula a outra; ocorre em sólidos) Convecção (energia é “transportada” pelas moléculas, ocorre em líquidos e gases) Irradiação (energia é “transportada” por ondas eletromagnéticas) Unidades de temperatura Celcius (oC); Kelvin (K); Fahrenheit (oF) Rankine (oR); Reaumür (oR)

5 Escalas Conversão oC oF – 32 K – 273,15 oRa – 491,67 = = = 5 9 5 9
Referência Celcius (oC) Kelvin (K) Fahrenheit (oF) Reaumur (oR) Rankine (oRa) Ebulição da água 100 373,15 212 80 671,67 Fusão da água 273,15 32 491,67 Zero absoluto - 273,15 - 459,67 - 218,52 Conversão oC oF – K – 273, oRa – 491,67 = = =

6 Princípio: expansão volumétrica do líquido
Tipos de termômetros Líquido 1.1. Líquido em vidro Princípio: expansão volumétrica do líquido Líquido Ponto de fusão Ponto de Ebulição Faixa de Uso Mercúrio -39 ºC +357 -38 / +550 Álcool Etílico -115 +78 -100 / +70 Tolueno -92 +110 -80 / +100

7 Termômetros de líquido (expansão em tubo de vidro)

8 1.2. Líquido em metal Princípio: expansão em recipiente metálico
Características Tubo de Bourbon Grande tempo de resposta Não recomendável para controle

9 Termômetro de líquido (expansão em tubo metálico)

10 Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.

11 Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.

12 Princípio: expansão em recipiente metálico
2. Pressão de gás Princípio: expansão em recipiente metálico Leva em conta o fato de que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, a volume constante. Gás mais comum: N2 Faixa de medição: a 600 oC Suporta pressões da ordem de 50 atm

13 Termômetro de gás

14 3. Sólidos 3.1. Lâmina bimetálica
Princípio: dilatação de metais em função da temp. Principais ligas: Fe + Ni e latão Faixa de medição: - 50 a 800 oC

15 Estrutura de um termômetro de lâmina bimetálica.

16 Princípio: efeito termoelétrico
3.2. Termopares Princípio: efeito termoelétrico A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da temperatura entre o ponto de medição e o ponto de compensação.

17 Tipos de termopares T, J, E, K, S, R, B Faixa de medição: a 1600 oC Termopares especiais Faixa de medição: 1600 a 2750 oC Diferem em função dos metais da liga e da proporção entre eles

18

19 V = R.i => R = V/i => i = V/R
3.3. Termistores Princípio: variação da resistência em função da temperatura V = R.i => R = V/i => i = V/R Resitência ôhmica: seu valor numérico independe da tensão aplicada Resitência não ôhmica: seu valor numérico depende da tensão aplicada

20 Semicondutores: materiais que exibem propriedades de resistência elétrica “a meio caminho” entre os bons condutores e os bons isolantes. Apresentam grande coeficiente de variação da resistência em função da temperatura. Portanto, para uma mesma tensão aplicada (V), a variação da resistência (R) resultará uma variação da corrente (i). i = V/R

21 Tipos de termistores NTC: “Negative Temperature Coefficient” Sua resistência diminui acentuadamente com o aumento da temperatura. São constituídos de óxidos metálicos de níquel, cobalto ou magnésio ou de sulfeto de ferro. A curva que define a variação da resistência em função da temperatura tem comportamento exponencial.

22 Curvas características de termistores NTC com faixas de medição de temperatura distintas.

23 PTC: “Positive Temperature Coefficient”
Sua resistência aumenta com o aumento da temperatura. Somente a partir de uma determinada temperatura exibe uma variação ôhmica com a variação da temperatura. É mais sensível que o termistor NTC. São constituídos de material cerâmico à base de titanato de bário.

24 Termistor tipo PTC.

25 Diferentes estruturas de termistores.

26 Perfil característico da variação da resistência em função da temperatura para os termistores NTC e PTC.

27 Princípio: variação da resistência em função da temperatura
3.4. Termorresistores Princípio: variação da resistência em função da temperatura - Também chamados RTD (Resistance Temperature Detector) - Alta estabilidade mecânica e térmica - Resistência à contaminação - Baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso - São feitos de metais semicondutores (platina, cobre ou níquel) - Faixa de temperatura – 270 a 660 oC É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente A medição é feita normalmente por ligação a um circuito de medição tipo ponte de Wheatstone

28 Esquema geral de um termorresistor.

29 Diferentes tipos de termorresistores.

30 4. Sensores de radiação 4.1. Pirômetro óptico
Princípio: emissão de energia radiante em função da temperatura - Utilizado para medir altas temperaturas (como alto-fornos) - Baseado no princípio da lei de Planck, que prevê o fluxo radiante de energia por unidade de área de um corpo negro em função da temperatura -Esse princípio vale para todas as substâncias que podem emitir luz ao se tornarem incandescentes -Seu funcionamento se dá por comparação da cor de um objeto incandescente com a cor de um filamento interno do aparelho - A temperatura final medida depende muito da capacidade de comparação do operador

31 Esquema geral de um pirômetro óptico.

32 4.2. Termômetro de infra-vermelho
Princípio: emissão de energia radiante em função da temperatura Faixa de temperatura: - 20 a 1000 oC Ideal para medir temperatura de superfícies Leitura digital

33 “Caminhos” da energia relacionados a um determinado corpo (item testado).

34 Esquema geral de um termômetro de infra-vermelho.

35 Alguns modelos de termômetro de infra-vermelho.

36 Medição e controle de temperatura em bioprocessos:
- Termômetros de expansão de líquido (laboratório) Termopares Termorresistores Termistores (mais precisos) Finalidades: Controle da temperatura do meio de fermentação Controle da temperatura durante a esterilização Controle da temperatura ambiente Controle da temperatura para conservação de matérias-primas e suplementos de meios Controle da temperatura durante processos de recuperação de produtos