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

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

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

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)

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 – 32 K – 273,15 oRa – 491,67 5 9 5 9 = = =

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

Termômetros de líquido (expansão em tubo de vidro)

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

Termômetro de líquido (expansão em tubo metálico)

Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.

Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.

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: - 100 a 600 oC Suporta pressões da ordem de 50 atm

Termômetro de gás

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

Estrutura de um termômetro de lâmina bimetálica.

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.

Tipos de termopares T, J, E, K, S, R, B Faixa de medição: - 200 a 1600 oC Termopares especiais Faixa de medição: 1600 a 2750 oC Diferem em função dos metais da liga e da proporção entre eles

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

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

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.

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

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.

Termistor tipo PTC.

Diferentes estruturas de termistores.

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

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

Esquema geral de um termorresistor.

Diferentes tipos de termorresistores.

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

Esquema geral de um pirômetro óptico.

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

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

Esquema geral de um termômetro de infra-vermelho.

Alguns modelos de termômetro de infra-vermelho.

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