Sobre sistemas medidores de temperatura

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS – CCET Departamento de Engenharia Elétrica

Data de Realização: 04/04/2015 Data de Entrega: 22/04/2015

Instrumentação e Sistemas de medidas Professores: Osmar Ogashawara

Relatório N°: 07 Nome da Prática: Pesquisa sobre medidores de temperatura

Nome Henrique Oliveira dos Santos

RA Assinatura 411957

Nome do Arquivo: Henrique_Oliveira_411957_Trabalho7.pdf

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Resumo A medição de grandezas físicas é fundamental para o bom funcionamento de sistemas de caldeira e plantas industriais em geral. Como se observa na literatura - (BEGA, 2011) e (BEGA, 2003) - é comum dividir o estudo dos instrumentos pelo tipo de variável que é medida. Este trabalho visa coletar informações sobre como se dá a medição de temperatura, quais são instrumentos disponíveis no mercado e quais são as tecnologias empregadas em sistemas de caldeiras.

Sumário 1 – Introdução ..................................................................................................................... 3 2 – Desenvolvimento ........................................................................................................... 3 2.1 – Instrumentos indicadores de temperatura ............................................................ 3 2.2 – Medidores tradicionais ......................................................................................... 3 2.3 – Termômetros de resistência ................................................................................. 4 2.4 – Termômetros de radiação .................................................................................... 5 2.5 – Outras técnicas .................................................................................................... 6 2.6 – Aplicações a sistemas de caldeiras ...................................................................... 6 4 – Conclusões gerais ......................................................................................................... 8 5 – Referências .................................................................................................................... 9

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1 – Introdução A medida de temperatura, junto com as medidas de pressão, nível e vazão, compõe uma das principais grandezas a ser medida em uma instalação industrial que envolva processos ou caldeiras. Pela definição clássica, a temperatura é a grandeza que quantifica o calor, a energia associada à atividade molecular de uma substância. A temperatura é medida tem 3 escalas notórias: os graus Celsius, os graus Fahrenheit e a escala Kelvin. Para se determinar qual instrumento deve ser escolhido deve-se levar em consideração fatores como faixa de temperatura, precisão e repetibilidade, proteção ou encapsulamento, e tempo de resposta. Conhecidos estes fatores é simples a decisão entre os seguintes instrumentos. 2 – Desenvolvimento 2.1 – Instrumentos indicadores de temperatura Os indicadores não exatamente instrumentos de medição porém são úteis para visualização rápida de níveis de temperatura quando não há necessidade de ser preciso. Os indicadores cromáticos são produtos químicos (sais de níquel, cobalto, etc.) na forma de tintas que mudam de cor a partir de um determinada limiar. Estão disponíveis na faixa de 50ºC a 1300ºC, com até ± 10ºC de erro. Os indicadores pirométricos são dispositivos termomecânicos descartáveis que se deformam com a alteração da temperatura. Estão disponíveis na faixa de 600ºC a 2000ºC com até ±3ºC.

2.2 – Medidores tradicionais Os medidores tradicionais são aqueles utilizam o fenômeno de dilatação térmica dos materiais para determinar a temperatura. Servem como exemplo o termômetro bimetálico (Figura 1-a) – composto por duas lâminas de metais diferentes soldadas, o termômetro de haste de vidro – neste caso quem se deforma é o líquido dentro da haste, e o sistema de bulbo-capilar (Figura 1-b) – que também mede a dilatação de um líquido porém utiliza um sistema com reservatório.

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(a) (b) Figura 1: medidores tradicionais: (a) medidor bimetálico e (b) medidor de bulbo-capilar. (CEFET).

2.3 – Termômetros de resistência Praticamente todos os materiais elétricos variam suas características com a variação da temperatura. A seguir algumas tecnologias serão citadas. Os bulbos de resistência de fio metálico (Figura 2), também conhecidos como RTD (resistance temperature detector), é basicamente um bulbo com uma resistência de metal interna. O sensor mais popular deste tipo é o Pt 100 tanto pelo seu ótimo desempenho em quesitos como estabilidade, precisão, repetibilidade e amplo range. Podem ser aplicados em ambientes com temperatura variando de -250ºC a 850ºC. Os termistores são dispositivos semicondutores que apresentam grande variação de resistência elétrica com a temperatura. Podem operar de -100ºC a 300ºC. São fabricados dois tipos de termistores: os NTC (negative thermal coeficient) em que a resistência decresce com o aumento da temperatura e os PTC de característica oposta. A gama de diferentes termistores presentes no mercado faz com que se encontre termistores com baixa precisão (5% a 10%) até alta precisão (0,05ºC). É um dispositivo não-linear e requer sistemas microprocessados para se operar em toda a faixa de valores. Caso contrário é necessário utilizar técnicas de instrumentação para linearizar uma faixa de operação.

Figura 2: sensor RTD. (SANTOS)

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Os termopares são os sensores mais utilizados na indústria devido ao seu baixo custo aliado a precisão, estabilidade e repetibilidade satisfatórias. São dispositivos sensores baseados nos efeitos de Seebeck, Peltier e Thompson. Basicamente é composto por duas junções metálicas, conforme visto na Figura 3. Quando ocorre uma diferença de temperatura entre as duas juntar observa-se a circulação de uma corrente ou a presença de uma força eletromotriz (fem) entre as duas juntas. Esta variação de tensão é condicionada e pode ser transmitida para um controlador ou exibida em um indicador no campo.

Figura 3: esquemático de um termopar. (CEFET)

A Tabela 1 indica os principais tipos de termopares disponíveis no mercado. Tabela 1: tipos de termopares. (Adaptado de (CEFET)).

Outros fatores a serem levados em consideração são o encapsulamento do termopar que pode gerar atrasos no tempo de resposta, a distância do termopar para a unidade interpretadora, encapsulamento e o sistema de proteção. 2.4 – Termômetros de radiação São termômetros baseados nas equações de Ludwig Boltzman que descreve a relação entre a temperatura térmica e a energia térmica irradiada. São indicados preferencialmente para corpos opacos (sólidos) e para corpos com baixa refletância. Os sensores ópticos medem a temperatura baseados na emissão de luz visível. Para tanto o dispositivo utiliza uma lâmpada de temperatura controlada para comparação de luzes. Nome do Arquivo: Henrique_Oliveira_411957_Trabalho7.pdf

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Existem também os sensores infravermelhos que utilizam a luz emitida abaixo do espectro visível para realizar a aferição da temperatura. A termografia se desenvolveu muito nos últimos anos devido ao aumento da disponibilidade de poder computacional. Os sistemas termográficos utilizam câmeras infravermelhas e técnicas de tratamento digital de imagem para exibir em uma escala de cores as diferentes temperaturas presentes num sistema. Geralmente não são aplicados de maneiras fixa para automação. 2.5 – Outras técnicas Existem ainda várias outras técnicas de sensoriamento de temperatura. Pode se utilizar a vazão mássica observada por diferenças de pressão, semicondutores como diodos, ultrassom, cristais de quartzo ou líquido, ruído térmico ou ainda um sensor de sal paramagnético. Estas técnicas são menos convencionais e podem ter vantagens sobre as outras porém a inércia da indústria à substituição de tecnologias consagradas desestimula o uso destes sensores. 2.6 – Aplicações a sistemas de caldeiras Em sistemas de caldeiras muitas vezes é interessante o controle da temperatura do vapor superaquecido. Os superaquecedores (SAs) podem ser classificados (quanto a transferência de calor) como de radiação e de convecção. Nos SAs de convecção o aquecimento do vapor é feito pelo calor conduzidos pelos gases que circulam em torno dos tubos e a chama fica “escondida”. Em oposição os SA de radiação são posicionados diretamente acima da chama de forma com que possam “ver” a chama. Nos SAs de radiação a temperatura de saída diminui com o aumento da carga da caldeira e nos SAs de convecção ocorre o oposto. Uma solução interessante é instalar os dois tipos de superaquecedores em série para reduzir as variações de temperatura com a variação da carga. As malhas de controle da temperatura do AS podem ser realizadas com um, dois ou até três elementos (Figura 4 a, b e c respectivamente).

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(a)

(b)

(c)

Figura 4: Malhas de controle com (a) um elemento (b) dois elementos (c) três elementos. (Adaptado de (BEGA, 2003)).

Outro setor do sistema de caldeira onde é interessante medir a temperatura é o módulo de preaquecimento de ar de combustão. O controle da temperatura colabora para aumentar a eficiência da combustão e redução de emissão de poluentes. Neste caso deseja-se controlar a quantidade de calor transferida dos gases para o ar de combustão. Nome do Arquivo: Henrique_Oliveira_411957_Trabalho7.pdf

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Normalmente a malha de controle para preaquecedores do tipo Ljungstron envolve a tomada de duas temperaturas conforme esquemático da Figura 5.

Figura 5: malha de controle do preaquecedor de ar.

Os sensores utilizados são tipicamente termopares associados com sistemas de condicionamento de sinal conforme sugere (JOÃO ROBERTO BRUNETTO, 2003). Como exemplos de empresas produtoras de sensores pode-se citar Alutal controles industriais, Hot set do Brasil, Iope instrumentos de precisão, Consistec controles e sistemas de automação. 4 – Conclusões gerais Pode-se concluir que a medição de temperatura é uma das mais importantes dentro da área de instrumentação e automação de indústrias de processo contínuo como empresas do setor sucro-alcooleiro. Conclui-se que existem diversas formas de se obter o sensoriamento de temperatura e que o engenheiro de projeto é responsável por escolher o sensor mais adequado para uma determinada aplicação.

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5 – Referências BEGA, E. A. Instrumentação aplicada ao controle de caldeiras. 3ª. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2003. BEGA, E. A. Instrumentação Industrial. 3ª. ed. Rio de Janeiro: Interciência, v. I, 2011. CEFET. Disponivel em: . Acesso em: 04 abr. 2015. JOÃO ROBERTO BRUNETTO, L. R. R. B. RELATÓRIO TÉCNICO FINAL: SISTEMA DE CONTROLE DE TEMPERATURA DE CALDEIRA. PUC-PR. Curitiba. 2003. SANTOS, M. M. UFMG. Disponivel em: . Acesso em: 04 abr. 2015.

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