Instrumentação e Medidas - Sensores de Temperatura - PDF

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROMECANICA INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS 2-Sensores 2.1. Introdução 2.2. Classificação dos Sensores quanto ao Tipo de Variável Controlada 2.3. classificação quanto ao funcionamento. 2.4. Tipos de Sensores 2.4.1. Sensor...

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROMECANICA INSTRUMENTAÇÃO E MEDIDAS 2-Sensores 2.1. Introdução 2.2. Classificação dos Sensores quanto ao Tipo de Variável Controlada 2.3. classificação quanto ao funcionamento. 2.4. Tipos de Sensores 2.4.1. Sensores de temperatura Prof. Gabriel Luís Victorino LUANDA, Março 2020 Objectivos Com a disciplina de Instrumentação e medidas, pretende-se transmitir aos alunos conhecimentos sobre a utilização da Instrumentação e medidas. Pretende-se que os alunos tenham capacidade de identificar equipamentos e possíveis técnicas de programação abordadas na disciplina, de forma a que numa situação futura, não haja dificuldades para desempenhar as suas tarefas. Os conhecimentos teóricos englobam uma forte caracterização dos componentes práticos e suas aplicações, para que posteriormente a sua utilização se torne mais eficaz. Esta é suportada por uma componente laboratorial que permite o conhecimento e manuseamento dos equipamentos e o estudo de situações experimentais que simulem aplicações industriais Meios de Ensino As aulas serão expositivas, informativas e dialogadas, utilizando o recurso do " data - show" para visualização das imagens e fotos dos dispositivos. Todo o período de ensino ser á aberto a perguntas e discussões que despertem o inte- resse e a reflexão do aluno. Haver á estimulo à pesquisa sobre os temas abordados, propondo leituras e análises de casos em sala de aula que promovam a conexão entre a teoria e a prática. Recursos Data - show e computador. INTRODUÇÃO AOS SENSORES E ACTUADORES  SENSORES Sensor => pode ser definido como sendo um transdutor que altera a sua característica física interna devido a um fenômeno físico externo — presença ou não de luz, som, gás, campo elétrico, campo magnético etc. Transdutor => é todo dispositivo que recebe uma resposta de saída, da mesma espécie ou diferente, a qual reproduz certas características do sinal de entrada a partir de uma relação definida. Todos os elementos sensores são denominados transdutores  SENSORES Discretos: os sensores podem ser utilizados para o controle de variáveis lógicas ou booleanas (sinais binários). Os mais empregados são os sensores de proximidade, utilizados geralmente para detecção de presença de objetos. Eles podem ser mecânicos, ópticos, indutivos e capacitivos.  SENSORES Linearidade: é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior a linearidade, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Faixa de atuação: é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser utilizado o sensor, sem causar sua destruição ou imprecisão na leitura.  SENSORES Contínuos: é considerado uma das grandes áreas da Automação. Nesse processo, existem diferentes tipos de sensores capazes de medir as principais variáveis de controle, que podem ser classificadas como Medidas de Deslocamento, Velocidade, Pressão, Vazão e Temperatura (sinais analógicos ou binários)  CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO FUNCIONAMENTO Sinais de saída do sensor Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V. Temos estas discrepâncias nos sinais de saída entre diferentes fabricantes, porque tais instrumentos estão preparados para uma fácil mudança do seu sinal de saída. A relação de 4 a 20 mA, 1 a 5 V está na mesma relação de um sinal de 3 a 15psi de um sinal pneumático  Características Especificação de sensores para utilização em processos automatizados => baseia-se dos graus e classes de proteção estabelecidos nas Normas de Proteção Internacional. Classes de proteção => indicadas por um símbolo composto: a) duas letras – IP (International Protection) b) dois dígitos que definem o grau de proteção Exemplo: Classes de proteção Classes de proteção  SENSORES DE TEMPERATURA A temperatura é uma importante grandeza a ser medida em muitos processos, pois é um fator limite para muitas operações. A medição correta de temperatura é complexa, por ser facilmente influenciada por fatores externos aos dispositivos de medida ou pela inércia térmica inerente ao sistema. Estudaremos principalmente os senseores bi- metalicos, os termopares, RDT (resistencia detetora de temperatura) eos termistores.  Faixa de abrangência dos principais métodos de determinação de temperatura Método Faixa oC oF Termopares -200 a 1700 -330 a 4000 Termômetros de bulbo preenchidos -195 a 760 -320 a 1400 Termômetros de resistência -250 a 650 -420 a 1200 Termístores -195 a 450 -320 a 840 Pirômetros de Radiação -40 a 3000 -40 a 5400  SENSOR BIMETALICO Utilizados nos termostatos. É Constituído de duas chapas metálicas de materiais de diferentes coeficientes de dilatação que são montadas frente a frente. Com o aquecimento uma deformação do conjunto faz com que um contato elétrico seja fechado ou aberto. A Figura ilustra a estrutura interna de um sensor bimetalico.  SENSOR BIMETALICO O termômetro bimetálico consiste em duas lâminas de metais com coeficientes de dilatação diferentes sobrepostas, formando uma só peça. Variando- se a temperatura do conjunto, observa-se um encurvamento que é proporcional à temperatura. Na prática a lâmina bimetálica é enrolada em forma de espiral ou hélice, como mostra a figura. A faixa de trabalho dos termômetros bimetálicos vai aproximadamente de -50oC a 800oC, sendo sua escala bastante linear. Possui precisão na ordem de ± 1%.  Termopares Um dos sensores de temperatura mais utilizados para Tomada de impulso de temperatura,especialmente em altas (a faixa mais comum é de 200 a 1000°C ) e quando se requer resposta rápida. Qualquer diferença de temperatura entre junções de dois metais diferentes gera uma ddp, isto é,uma força eletromotriz entre as junções.  Termopares Quando dois metais encostados são submetidos a uma temperatura, surge nos extremos deles uma tensão proporcional à temperatura (efeito Seebeck). V=KT K é uma constante para cada par de metais, que é utilizável até seu limite térmico. Termopares Existem diferentes tipos de termopares, são eles os tipo S, R, B, J, T, K e E. cada um com uma curva de tensão versus temperatura diferente. Por serem simples são transdutores baratos e robustos e muito utilizados nos mais variados processos de medição. A Figura 3 ilustra dois modelos de termopares utilizados na indústria. Composição, intervalo de temperatura e fem para termopares padrão Força Tipo Composição Intervalo de temperatura eletromotriz oC mV* B Platina /6% Ródio x Platina /30% Ródio 0 a 1820 0 a 13814 R Platina x Platina /13% Ródio -50 a1768 -0,226 a 21108 S Platina x Platina /10% Ródio -50 a 1768 -0,236 a 18698 J Ferro x Constantan -210 a 760 -8,096 a 42922 K Cromel x Alumel -270 a 1372 -6,458 a 54875 T Cobre x Constantan -270 a 400 -6,258 a 20869 E Cromel x Constantan -270 a 1000 -9,835 a 76358  Termômetros de resistência –RTD- São sensores muito utilizados na indústria, pois apresentam boa precisão, larga faixa de trabalho e permitem ligações de longa distância. Metais - Platina, Cobre, Níquel, - neste grupo, a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Configuração : Fio de resistência envolto por bainha de vidro, aço inoxidável, ou mesmo cerâmica. Eventualmente pode estar o metal na forma de fita ou mesmo um filme de reduzida espessura depositado em suporte isolante. RTD padrão - PT 100 ( 100 Ω a 0°), outros PT 500, PT 1000,… RDT Seu funcionamento consiste num filamento delgado de um metal como níquel ou platina cuja a resistência varia conforme a temperatura A faixa de utilização aproximada dos três metais é mostrada a seguir: ❖ PLATINA - faixa - 200 à 600ºC (excepcionalmente 1200ºC) - Ponto de Fusão 1774ºC; ❖ NÍQUEL - faixa - 200 à 300ºC - Ponto de Fusão 1455ºC; ❖ COBRE - faixa - 200 à 120ºC - Ponto de Fusão 1023ºC. RDT Os mais utilizados são o Pt-100, Pt-1000, Ni-100 e Ni-1000. Sendo que o mais utilizado é o Pt-100, feito em platina com 100Ω a 0ºC. Sua faixa vai de -200 a 650ºC, mas seu uso foi padronizado pela ITS em 90 até 962ºC aproximadamente. A Figura abaixo ilustra uma termoresistência.  Cerâmicas semicondutoras – Termistores Misturas a base de óxidos metálicos (Mn, Co, Ni, etc), podendo ainda serem dopados com gálio ou silício. Também os titanatos apresentam características semicondutoras Faixa de operação dos Termistores, de - 100 a + 300 º C. Característica: Apresentam elevada variação de resistência com a temperatura Tipos: NTC – Negative Termal Coeficient Resistência decresce com o aumento da temperatura PTC – Positive Termal Coeficient Resistência aumenta com o aumento da temperatura Obs. Estes sensores, apesar de boa precisão (na ordem de 0,5 %) necessitam de freqüente aferição.  Termômetros de resistência Bainha de cerâmica Bainha de vidro Termistor  A estabilidade dos primeiros termistores era bastante inferior à das termoresistências metálicas, mas atualmente este tipo de sensores vem apresentando uma estabilidade aceitável para muitas aplicações industriais e científicas. Isto lhes permite medir a temperatura com intervalos de 0,1°C o que é difícil com termômetros de resistência comuns. Seu tempo de resposta está ligada a massa do sensor podendo variar desde uma fração de segundos até minutos. A corrente de medição deve ser mantida o mais baixo possível para se evitar o aquecimento da unidade detectora Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura Caracteristicas gerais de alguns elementos sensores de temperatura  REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS José Matias. Ludgero Leote, Automatismos Industriais, Didáctica Editora, 1993