Baixe Introdução aos Sistemas de Automação e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Automação, somente na Docsity! Introdução aos Sistemas de Automação A necessidade do aumento de produção para atender a crescente demanda em qualquer que seja o setor da economia, aliada a necessidade de eliminar erros que seriam causados por pessoas e também a manutenção da continuidade, da qualidade e do baixo custo no processo, fizeram surgir o que se convencionou a chamar de automação. Porém, para controlar automaticamente um processo é necessário que se conheça profundamente como ele se comporta para corrigi-lo, fornecendo ou retirando dele alguma forma de energia (pressão, temperatura, tensão,... etc.). Neste processo de controle, a medição, a comparação e a manipulação são uma constante. Esta atividade de medir, comparar e manipular grandezas é feita por instrumentos cujo princípio de funcionamento é geralmente bastante simples. Atualmente existem grande quantidade de equipamentos de medição, transmissão, regulação, controle final, registro, indicação, computação e outros. Estes instrumentos, combinados, constituem cadeias de controles simples ou múltiplos, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de processos. No ambiente industrial ou predial, os sistemas de controle automáticos, removem a operação humana do controle do processo, porém, nunca do ajuste contínuo deste. Evolução Histórica Em 1968 foi especificado o primeiro CLP (Controlador Lógico Programável) pela divisão Hidromatic da General Motors Corporation. Visavam sobretudo, eliminar o alto custo e ainda possuir a flexibilidade de um computador, capaz de suportar o ambiente industrial e ser um sistema expansível e de fácil manutenção. Em 1969 foi instalado o primeiro CP na GM executando apenas funções de intertravamento. Os primeiros CP’s possuíam pouca capacidade de processamento e suas aplicações se limitavam a processos e equipamentos que necessitavam de operações repetitivas. De 1970 a 1974, com o surgimento da tecnologia de microprocessadores houve um aumento considerável da capacidade de processamento e maior flexibilidade aos controladores. Outros recursos então foram somados às funções de intertravamento e lógica, como por exemplo a função de temporização e contagem, aritmética, manipulação de dados e a introdução de terminais de programação. O sistema utilizado para programar o controlador era um dispositivo acondicionado a uma maleta portátil, chamada de maleta de programação, de forma que podia ser levada a campo com a finalidade de alterar dados e realizar pequenas modificações no programa. O sistema de memória não permitia grandes facilidades de programação por utilizar memórias EPROM. De 1975 a 1979, foram acrescentados maiores recursos de software e hardware que propiciaram expansões na capacidade de memória, controles analógicos de malha fechada com algoritmos PID, permitiu o controle de entradas/saídas remotas, controle de posicionamento, comunicações, etc... 1 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Desta forma, os CLP’s aumentaram seus domínios, passando a substituir o microcomputador em muitas aplicações industriais, sistemas de controles discretos e contínuos. Ainda em 1979 foi desenvolvida uma rede de alta velocidade (DATA HIGWAYS, ou simplesmente DH+) permitindo um controle sincronizado entre vários controladores, comunicação com microcomputadores e outros sistemas. Com isso, foi possível associar o desempenho do CP com a capacidade de controle distribuído de alta velocidade e interface com computadores, resultando em uma grande potencialidade de controle e supervisão. Atualmente podemos tratar o controlador programável, baseando-nos nas evoluções tecnológicas tanto de hardware como de software, como um Controlador Universal de Processos. As evoluções destes equipamentos proporcionaram melhorias significativas das características do controlador, e entre elas destacamos : • Redução do tempo de varredura (scan) ; • Interfaces de E/S microprocessadas (módulos PID, ASCII, posicionamento, acoplamento, etc.) ; • Uma interface homem máquina mais poderosa e amigável (IHM) ; • Linguagem em blocos funcionais e estruturação de programa ; • Diagnósticos e detecção de falhas ; • Operações matemáticas em ponto decimal flutuante através de coprocessadores matemáticos, etc. CONTROLADOR PROGRAMÁVEL X PAÍNEL DE RELÊS Um equipamento de controle eletrônico que utiliza uma tecnologia mais sofisticada, influenciará diretamente na produtividade e qualidade final do produto ou serviço. Com as exigências do mercado quanto a qualidade, historicamente, o uso do controlador programável tem sido mais constante na indústria e atualmente na automação predial, o preço de tais equipamentos tem caído significativamente, aumentando ainda mais a diferença técnico-econômica entre os CP’s e o controle por painel de relês, deve-se levar em consideração também que por melhor que seja o relê, sua vida útil e infinitamente menor do que a de um componente eletrônico e além disso o relê não tem a capacidade de detecção de falhas internas. CONTROLADOR PROGRAMÁVEL X MICROCOMPUTADOR Algumas características são as que diferem os CP’s (automação) dos PC’s (automatização), e que os diferenciam em suas aplicações. A arquitetura dos dois sistemas é basicamente igual, porém os CP’s são direcionados a controles de operações estratégicas, onde são considerados e se acentuam as diferenças, quanto à programação, operação, considerações adversas ambientais e manutenção. Os CR’s põem operar em áreas com temperaturas na faixa de 0 a 60ºC, umidades relativas de 2 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! A CPU, Unidade Central de Processamento, é o componente principal do sistema. É ela que executa as operações aritméticas baseadas na memória de programa, lê os sinais provenientes das entradas, interpreta-os de acordo com o programa de controle e atualiza as saídas. A principal função do processador é comandar as atividades do sistema. Ele realiza estas funções interpretando e executando um conjunto de instruções próprias, definido como executivo, e um conjunto de instruções de programas de supervisão que estão permanentemente armazenados na memória. Este programa, permite ao processador, através de dispositivos próprios, comunicar-se com o terminal de programação ou outros periféricos quaisquer, inclusive com suas entradas e saídas controlando assim máquinas ou processos conforme o programa da aplicação. São utilizados microprocessadores ou microcontroladores que são classificados de acordo com o tamanho da palavra manipulada por eles. Estes podem ser de 8, 16, 32 e até 64 bits, e em alguns casos utiliza-se um coprocessador para aumentar a capacidade de recursos para cálculos aritméticos complexos. Tudo isso influi diretamente no tempo de processamento, de extrema importância em casos que necessitam de diminuto tempo de resposta. Uma abordagem usando vários processadores ao mesmo tempo, podendo inclusive conter processadores remotos, é definida como multiprocessamento, e permite uma redução significativa no tempo de processamento. A técnica utiliza um ou mais processadores remotos e envolve também interfaces E/S inteligentes microprocessadas, memórias e um programa executivo exclusivo, para controle independente da CPU. SISTEMA DE VARREDURA Também chamada de SCAN, a varredura é uma técnica de leitura e atualização das entradas e saídas, respectivamente, de acordo com o software de controle. Durante a execução do programa, a CPU realiza a leitura das entradas e de acordo com as instruções do programa de controle do processo e somente após a execução deste, atualiza as saídas da maneira determinada pelo mesmo programa de controle do processo. A técnica de varredura é realizada de acordo com a CPU, o tamanho da palavra de controle, instruções do programa, recursos de hardware e software entre outros fatores, de modo que o tempo de varredura pode ir de 1ms a 100ms. A velocidade de varredura, nos CP’s, é definida baseando-se na quantidade de memória utilizada, de acordo com a extensão do programa de controle e na quantidade de periféricos. Logicamente o fabricante do CP determina o tempo de SCAN em função da quantidade máxima de utilização de memória e de dispositivos de E/S. 5 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Sendo assim, o SCAN é o fator de monitoração do programa, onde o processador tem de comunicar a memória o que aconteceu com as entradas e instruir as saídas sobre o que deve ser feito. Conforme a figura acima, existem dois tipos de varredura : • Varredura de E/S ; • Varredura do programa usuário. Durante o SCAN de E/S, a CPU transfere os dados dos periféricos de entrada para uma memória definida como tabela de imagem de entrada. Em seguida, realiza a varredura do programa do usuário e de acordo com a lógica atualiza os dados de saída na tabela de imagem de saída. Terminado o SCAN da lógica, os dados da tabela de saída serão enviados definitivamente às saídas, atualizando-as no campo. Logo em seguida, inicia-se o próximo processo de SCAN. Alguns CP’s possuem instruções de interrupção da varredura do programa para entrada de dados e atualizações imediatas de saídas, usadas em situações críticas que necessitam de reações instantâneas. A especificação do tempo de varredura é de importância extrema para a escolha do CP, pois ela define a rapidez com que o controlador vai reagir às entradas de campo e lógica de controle. Por exemplo, se um controlador tem um tempo de SCAN de 20ms e necessita monitorar um sinal de entrada que pode mudar de estados 3 vezes em um período de 15ms, o sistema não funcionará de acordo com o esperado. SISTEMA DE BARRAMENTOS Também denominados via ou bus, podemos dizer que o barramento é um sistema de comunicação que liga os componentes da máquina, como a CPU, a memória, a lógica de controle e os dispositivos de E/S, fazendo com que a informação seja transportada por ele. Definimos então um sistema de barramento, como circuitos que conectam os componentes internos do CP. 6 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! A arquitetura começa com a interligação da CPU com a memória através do barramento do computador; em síntese, conjunto de “fios” num circuito impresso que interliga o microprocessador com os chips da memória. Estes fios estão divididos em três conjuntos : • Data bus (Via de Dados) : Corresponde à palavra e por onde vão trafegar os dados ; • Address bus (Via de Endereços) : Por onde será enviada a localização (endereço) do dado na memória ; • Control bus (Via de Controle) : Faz a sincronização das vias anteriores. Resumidamente, podemos dizer que a CPU envia diversos sinais eletrônicos que representam um número chamado de endereço de memória. A memória, por sua vez, recebe o endereço, determina qual é o valor armazenado no mesmo e o transmite para a CPU, operação esta denominada leitura. As vias por onde a CPU envia o endereço para a memória são chamadas de barramento de endereço e as vias por onde a memória envia o dado lido para a CPU são chamados barramento de dados, e pelo barramento de controle e que a memória é avisada se a operação requisitada pelo microprocessador é de leitura ou escrita. COMUNICAÇÃO COM OS PERIFÉRICOS DO SISTEMA E OUTROS SISTEMAS Este tipo de comunicação envolve o compartilhamento de informações entre a CPU e periféricos de E/S ou ainda com outros sistemas microprocessados. Podemos tratar esses periféricos como locais (próximos do controlador) ou remotos (no campo). A comunicação aos sistemas e equipamentos periféricos é feita ao iniciar cada processo de varredura, onde estão atualizadas as saídas. Esta comunicação, entre a CPU e os periféricos, é feita via interface ou adaptador E/S, geralmente localizado na CPU, e um módulo processador E/S remoto localizado no rack ou chassis do sistema. Os 7 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! • SDRAM – Static RAM – Memória RAM mais veloz, usada em cache para diminuir o tempo de resposta do equipamento, normalmente utilizada em placas de vídeo ou auxilio a processadores ; • PROM – Programmable ROM – ROM programável pelo usuário por meio de um equipamento especial ; • EPROM – Erasable PROM – PROM reprogramável após ter seu conteúdo apagado por raios ultravioleta ; • EEPROM – Eletrically EPROM – Reprogramável por impulsos elétricos especiais. Em síntese, as memórias do tipo RAM são aquelas que podem ter suas informações alteradas. Estas constituem a maior parte da memória interna do computador, nelas é que são armazenados programas e dados dos usuários. As memórias do tipo ROM possuem informações inalteráveis. Essas memórias possuem informações usadas pela máquina para que o seu perfeito funcionamento. As ROM’s são memórias não voláteis, ou seja, não perdem as informações quando desligamos o computador. Conhecida também como secundária, externa ou de massa, os mecanismos de acesso (escrita/leitura) podem ser seqüenciais ou de acesso direto. Seus dados ficam off-line, não podendo ser acessados diretamente pelo processador, então, para que sejam usados, estes dados, necessitam ser transferidos para a memória principal. Como exemplos de memória auxiliar em computadores temos a fita magnética (acesso principal), disco flexível ou disquete (acesso direto), disco rígido, fita streamer, CD ROM e WROM (todos de acesso diretos). Em se tratando de CP’s as memórias externas mais comuns são utilizadas como expansão para programas de controle muito extensos ou memórias de acesso rápido, para diminuir o tempo de resposta do controlador. ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRIA O controlador atribui a cada tipo e conteúdo de memória um endereço. Um diagrama de organização de memória é representado por um gráfico chamado mapa de memória e o conteúdo é armazenado, de acordo com um endereço lógico. A generalização da organização da memória é válida, baseada no fato de que a maioria dos CP’s possuem parâmetros de armazenagem similares. Em geral, todos os CP’s devem ter áreas de memória destinadas ao programa executivo, área de trabalho do processador, tabela de dados e memória de aplicação. Um esboço de um mapa de memória pode ser observado abaixo : Memória de Programa Scratch Pad Tabela de E/S 10 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Tabela de Dados Programa de usuário Memória do Sistema Memória de Aplicação • MEMÓRIA DE PROGRAMA É uma área de memória que armazena permanentemente um conjunto de programas que fazem parte do sistema. Estes programas surpervisionam as atividades do sistema como a execução do programa de controle ou de aplicação, comunicação com dispositivos periféricos e outras atividades do sistema. • TABELA DE DADOS Esta área é uma parte da memória de aplicação destinada a armazenamento de dados associados ao programa de controle, tais como valores de preset de contadores / temporizadores e qualquer constante ou variável que é utilizada pelo programa de controle ou da CPU. Esta tabela retém informações de todas as entradas conectadas ao sistema uma vez que elas foram lidas e as saídas do sistema após terem sido atualizadas pelo programa de controle. • SCRATCH PAD OU ÁREA DE TRABALHO DO PROCESSADOR É uma área de acesso rápido para armazenamento de dados temporários, usados pela CPU para cálculos internos ou controle. Os dados que precisam ser rapidamente armazenados, são colocados nesta área evitando o tempo de acesso que está diretamente relacionado com a operação de acesso à memória principal. • MEMÓRIA DO SISTEMA São definidas como memória do sistema as não acessíveis ao usuário, exclusivas ao uso do processador. A memória de programa e o Scratch Pad fazem parte da memória do sistema. • MEMÓRIA DE APLICAÇÃO A memória de aplicação armazena as instruções do programa do usuário, que contém as instruções programadas pelo usuário, e todo e qualquer dado que será utilizado pelo processador para realizar as funções programadas. São partes desta área de memória, a Tabela de E/S, a Tabela de Dados e o Programa de usuário. A ilustração abaixo 11 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! demonstra uma melhor divisão da memória de aplicação, onde pode ser vislumbrada a tabela de dados e o programa de usuário. Tabela de entrada Tabela de saída Armazenamento de Bits Armazenamento de Registros Instruções do Programa de Controle Tabela de dados Programa do usuário A tabela de dados é uma área reservada ao processador, que aloca automaticamente uma certa quantidade de palavras para esta área. Seu conteúdo pode ser de dois tipos : - Estado : Informações do tipo ON/OFF representaddo por 0’s e 1’s ; - Número ou códigos : Informações representadas por um grupo de bits e armazenados em um byte ou palavra. A tabela de dados pode ser funcionalmente dividida em tabelas de entrada e de saída, área interna de bits e de armazenamento de registros. Tabela de entrada ou imagem das entradas é uma tabela que possui os dados de informações de estado das entradas, referentes a situação das entradas de uma varredura (SCAN). Cada bit correspondente a uma entrada, tratando-se de entradas discretas, portanto a tabela de entrada requer um número de bits correspondentes ao número de entradas. O mesmo, vale para a tabela de saída ou imagem das saídas. A área de armazenamento interno de bits é uma área alocada pelo processador usada exclusivamente para propósitos internos. Estes bits são chamados de contatos auxiliares internos ou relés de controle interno, ou seja, a saída interna não controla diretamente um dispositivo na saída, mas são usadas sobretudo para intertravamento do programa de controle. As saídas dos contadores, temporizadores e outras saídas dos blocos funcionais são consideradas saídas internas. Cada saída interna, referenciada por um endereço no programa de controle, tem um bit armazenado no mesmo endereço. Registros são palavras de memória destinadas a armazenar informações quantitativas. A área de armazenamento de registros é uma área definida na memória para localização dos registros. ESTRUTURA E CAPACIDADE DE MEMÓRIA A expressão “Controlador Programável” implica que uma seqüência de instruções ou programas devem ser executados e dados devem ser manipulados. Uma análise e uma estrutura se tornam necessárias para o entendimento do funcionamento do controlador. É também de extrema importância a análise da memória do ponto de vista das 12 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! O circuito de entrada é composto por duas seções principais : potência e lógica. Estas duas seções são normalmente desacopladas eletricamente por um circuito isolador. A seção de potência basicamente realiza a função de conversão da tensão de entrada para um nível DC compatível com a interface. Após o retificador, o sinal DC passa por um circuito de filtro que elimina o ruído elétrico e realiza o antibouce do sinal de entrada. Este filtro provoca um atraso de 9~25ms. O circuito detetor de nível detecta quando o sinal atinge o nível de tensão especificado para o nível lógico. Se o sinal excede e permanece acima do limite de tensão por um tempo mínimo igual ao atraso do filtro, o sinal é reconhecido como uma entrada válida. Figura 1 – Diagrama em Blocos para o Circuito de Entrada AC/DC Quando um sinal válido é detectado, o circuito gera um sinal na seção lógica completando assim uma transição eletricamente isolada de um sinal AC para o nível lógico correspondente. O sinal DC na seção lógica fica disponível para o processador através de seu barramento de dados. A maioria dos cartões de entrada utilizam um indicador (led ou neon) para indicar a presença do sinal de entrada. O indicador acesso indica que a chave correspondente está fechada. O circuito de entrada DC apresenta uma estrutura similar ao circuito AC, porém não há a necessidade de ser feita a conversão AC/DC. Da mesma forma, o circuito apresenta na sua parte frontal, uma lâmpada neon, que indica a energização ou não do dispositivo a ele conectado. A quantidade de circuitos de entrada é, nos dois casos, determinada pelo número de canais de entrada. • MÓDULO DE ENTRADA ELETRÔNICO O módulo de entrada eletrônica fornece a interface entre chaves eletrônicas de alta velocidade, foto-células e sinais TTL entre outros, e o níveis lógicos exigidos pelo controlador programável. Todos os módulos contém os circuitos para duas entradas individualmente isoladas. O módulo aceita sinais de nível TTL e CMOS. Ele também aceitará um pulso com duração de 70 F 06 Ds ou mais e reterá os dados do pulso pelo tempo de uma varredura. Será aceito um pulso para cada varredura do controlador. Em qualquer situação, o sinal de entrada deve ser de tensão DC na faixa de 3,5 a 24 volts. A isolação elétrica entre o sinal de entrada e a lógica é feita pelo uso de optoacopladores. • MÓDULOS DE SAÍDA ELETRÔNICO 15 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! De forma similar ao circuito de entrada, o circuito de saída é composto por duas seções principais acopladas por um circuito isolador. Durante uma operação normal, o processador envia para o circuito lógico o estado que determinada saída deve assumir de acordo com a lógica do programa. Se a saída é energizada, o sinal lógico 1 proveniente do processador alimenta a seção lógica de forma a energizar o dispositivo de campo. O circuito de saída DC tem uma operação funcional análogo ao da saída AC, porém, o circuito de potência geralmente emprega um transistor de potência para chavear a carga. • MÓDULOS DE SAÍDA A RELÉS Os módulos de saída a relé permitem que dispositivos de campo sejam comutados por contatos NA e NF de relés. Os contatos podem ser usados para comutar cargas AC ou DC. Entretanto são mais utilizados em aplicações como, comutação de pequenas correntes a baixas tensões, interface para controle de diferentes níveis de tensão, combinação lógica de relé de controle de motor com a lógica do controlador mantendo a isolação elétrica entre os dois tipos de controle. • ENTRADAS E SAÍDAS DE DADOS NUMÉRICOS Normalmente, a interface para dados numéricos pode ser classificada em dois grupos, sendo eles o grupo direcionado a dispositivos digitais multi-bit e outro para dispositivos analógicos. A multi-bit permite que um conjunto de bits possa ser tratado como uma única unidade de entrada ou saída, por exemplo como entrada e saída BCD. Este tipo de interface vem continuamente perdendo mercado devido a evolução das interfaces homem-máquina. A interface analógica permite que grandezas analógicas possam ser lidas pelo controlador ou que o controlador possa modificar uma grandeza analógica atuando em dispositivos periféricos especiais. Abaixo é apresentada uma tabela onde são listados alguns dispositivos de entradas e saídas numéricas : ENTRADAS SAÍDAS Transdutor de temperatura Válvulas proporcionais Transdutor de pressão Atuadores Células de carga Registradores Transdutor de umidade Driver de motores Transdutores de fluxo Medidores analógicos Chaves thumbwheel Display de 7 segmentos Leitoras de códigos de barras Painéis inteligentes • ENTRADAS ANALÓGICAS 16 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! A interface de entrada analógica contém os circuitos necessários para aceitar sinais analógicos de tensão ou corrente provenientes de dispositivos de campo. O sinal de entrada é convertido para um código digital proporcional ao valor analógico, por um conversor analógico-digital. O código digital gerado é armazenado na memória do controlador como um registro para uso posterior. O valor analógico é expresso em um valor BCD em uma faixa que dependerá da implementação realizada pelo fabricante. Por exemplo, um valor analógico de tensão de 0 a 5 volts ou de corrente de 4 a 20 mili Ampéres, porém ser representados respectivamente em valores digitais nas faixas, de 0000 a 0255 e de 0000 a 9999. • SAÍDAS ANALÓGICAS A interface de saída analógica recebe do processador dados digitais que são convertidos em valores proporcionais de corrente ou tensão aplicados nos dispositivos de campo. A interface contém um conversor digital-analógico e realiza a isolação através de foto-acopladores. • ENTRADAS E SAÍDAS BCD A entrada para registro ou interface de entrada BCD fornece uma comunicação paralela entre o processador e dispositivos de entrada numéricos. Esta interface é geralmente utilizada para entrada de parâmetros em localizações específicas na memória chamada de registros. Os parâmetros de entrada típicos são valores presets de temporizadores, contadores e valores set-points. Esta interface geralmente aceita tensões na faixa de 5 VDC (TTL) a 24 VDC e são agrupados em um módulo contendo 16 ou 32 entradas que corresponde a 1 ou 2 registros I/O. • MÓDULOS DE ENTRADA E SAÍDA ESPECIAIS Os módulos descritos anteriormente são os mais aplicados em associações com CP’s. Em muitas aplicações são necessários módulos especiais, tais como, interfaces para sensores, geração de mensagens, etc. São também definidos, esses módulos, como inteligentes, os quais são incorporados ao microprocessador de forma que a tarefa a ser realizada fica independente da varredura do processador. Dentre outros, estes módulos podem ser de entrada para termopar, PT100, célula de carga, Módulo PID e outros. • ENTRADAS E SAÍDAS REMOTAS Em sistemas de maior porte é usual a instalação de módulos de entradas/saídas distante do CP. Um subsistema de I/O remoto é composto por fontes de alimentação, módulos I/O e adaptadores de comunicação. Existem duas formas de conexão dos racks remotos ao processador, configuração em barramento ou em estrela. A distância em que o rack remoto pode ser colocado em relação ao processador depende da configuração e das especificações do fabricante. • INTERFACES HOMEM-MÁQUINA (IHM) 17 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Para melhor expressar as leis da termodinâmica, foi criada uma escala baseada em fenômeno de mudança de estado físico de substâncias puras, que ocorrem em condições únicas de temperatura e pressão. São chamados de pontos fixos de temperatura. Chama-se esta escala de IPTS - Escala Prática Internacional de Temperatura. A primeira escala prática internacional de temperatura surgiu em 1920, modificada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modificações foram feitas e em 1968 uma nova Escala Prática Internacional de Temperatura foi publicada (IPTS-68). A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de -259,34 a 1064,34ºC baseada em pontos de fusão, ebulição e pontos triplos de certas substâncias puras como por exemplo, o ponto de fusão de alguns metais puros. Hoje já existe a ITS-90 Escala Internacional de Temperatura, definida em fenômenos determinísticos de temperatura e que definiu alguns novos pontos fixos de temperatura. Pontos Fixos IPTS-68 IPTS-90 Ebulição do Oxigênio -182,962ºC -182,954ºC Ponto Triplo da Água +0,010ºC +0,010ºC Solidificação do Estanho +231,968ºC +231,928ºC Solidificação do Zinco +419,580ºC +419,527ºC Solidificação do Prata +961,930ºC +961,780ºC Solidificação do Ouro +1064,430ºC +1064,180ºC • Normas e Padrões Internacionais Com o desenvolvimento tecnológico diferente em diversos paises, criou-se uma série de normas e padronizações, cada um atendendo a uma dada região. As mais importantes são: Norma Origem ISA Americana DIN Alemã JIS Japonesa BS Inglesa UNI Italiana Para atender as diferentes especificações técnicas na área da termometria, cada vez mais se somam os esforços com o objetivo de se unificar estas normas. Para tanto, a Comissão Internacional Eletrotécnica - IEC, vem desenvolvendo um trabalho junto aos paises envolvidos neste processo normativo, não somente para obter normas mais completas e aperfeiçoadas mas também de prover meios para a internacionalização do mercado de instrumentação. Como um dos participantes desta comissão, o Brasil, através da Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, está também diretamente interessado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especificações como Normas Técnicas Brasileiras 20 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! SENSORES DE TEMPERATURA • NTC e PTC : São componentes eletrônicos que variam sua resistência em função da temperatura. O NTC (Negative Temperature Coeficient), Coeficiente Negativo de Temperatura), tem resistência inversamente proporcional à temperatura, ou seja, quando a temperatura sobe sua resistência diminui. Ele é feito de compostos semicondutores, como os óxidos de ferro, magnésio e cromo. Segue então a equação abaixo: R = A e B/T Onde, A e B são coeficientes que variam com a composição química e "E" é o número de Neper (2.718), T é a temperatura, em graus Kelvin. Sua curva característica é, então, exponencial decrescente. Devido a seu comportamento não linear, o NTC é utilizado numa faixa (range) pequena de temperatura, em que a curva fica próxima de uma reta ou com uma rede de linearização. Normalmente, o NTC é empregado em temperaturas de até 150º C. O PTC (Positive Temperature Coeficient) tem resistência proporcional à temperatura e atua numa faixa restrita. A variação da resistência é maior que a de um NTC, na mesma faixa. Seu uso é mais freqüente como sensor de sobre-temperatura, em sistemas de proteção, por exemplo, de motores. • Diodos : O diodo comum de silício, polarizado diretamente com corrente de 1mA, tem queda de tensão próxima de 0.62Vcc, a 25oC. Esta tensão cai aproximadamente 2mV para cada ºC de aumento na temperatura, portanto sua curva pode ser estimada pela equação: Vd = A - BT A e B variam um pouco conforme o diodo. Esta equação é de uma reta, e vale até próximo de 125 ºC (limite de temperatura para o silício). O diodo é encontrado em sistemas de controle e termômetros de baixo custo e razoável precisão. • Termopares : Os termopares são os sensores de maior uso industrial para medição de temperatura. Eles cobrem uma faixa bastante extensa de temperatura que vai de -200 a 2300ºC aproximadamente, com uma boa precisão e repetibilidade aceitável, tudo isto a um custo que se comparado com outros tipos de sensores de temperatura são mais econômicos. O fenômeno da termoeletricidade foi descoberto em 1821 por T. J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado formado por dois condutores metálicos e 21 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! distintos A e B, quando submetidos a um diferencial de temperatura, entre as suas junções, ocorre uma circulação de corrente elétrica ( i ). A existência de uma força eletro-motriz (F.E.M.) entre A e B no circuito é conhecida como Efeito Seebeck, e este se produz pelo fato de que a densidade de elétrons livres num metal, difere de um condutor para outro e depende da temperatura. Quando este circuito é interrompido, a tensão do circuito aberto (Tensão de Seebeck ) torna-se uma função das temperaturas das junções e da composição dos dois metais. Denominamos a junção na qual está submetida à temperatura a ser medida de Junção de Medição (ou junta quente) e a outra extremidade que vai se ligar no instrumento medidor de junção de referência (ou junta fria). Quando a temperatura da junção de referência (Tr) é mantida constante, verifica-se que a F.E.M. térmica é uma função da temperatura da junção de medição (T1). Isto permite utilizar este circuito como um medidor de temperatura, pois conhecendo-se a Tr e a F.E.M. gerada, determina-se a T1. abaixo, a Curva de Correlação F.E.M. x Temperatura dos Termopares Então, por definição o aquecimento de dois metais diferentes com temperaturas diferentes em suas extremidades, gera o aparecimento de uma F.E.M. (da ordem de mV). Este princípio conhecido com efeito Seebeck propiciou a criação e utilização de termopares para medição de temperatura. Um termopar ou par termométrico é constituído de dois condutores metálicos de natureza distinta, na forma de metais puros ou ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo ao qual se dá o nome de junção de medição (junta quente); a outra extremidade, junção de referência (junta fria) é levada ao instrumento medidor por onde flui a corrente gerada. Convencionou-se dizer que o metal A é positivo e B é negativo, pois a tensão e corrente geradas são na forma contínua (cc). 22 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! • Conversão de Tensão para Temperatura : A relação F.E.M. x temperatura de um termopar não é linear, o instrumento indicador deve de algum modo linearizar o sinal gerado pelo sensor. No caso de alguns instrumentos analógicos (como registradores), a escala gráfica do instrumento não é linear acompanhando a curva do termopar; e em instrumentos digitais usa-se a tabela de correlação F.E.M. x temperatura, armazenada em memória ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor. Esta equação é um polinômio, que depende da precisão requerida, pelo fabricante do instrumento, pode alcançar uma ordem de até 9º grau. A equação matemática genérica de um termopar é a seguinte : Listamos abaixo os coeficientes de vários tipos de termopares : • Tipos e Características dos Termopares : Fora m dese nvol vida s dive rsas com bina ções de pare s de liga s met álic as com o intuito de se obter uma alta potência termoelétrica (mVºC) para que seja detetável pelos instrumentos de medição, aliando-se ainda às características de homogenidade dos fios, resistência à corrosão, relação razoavelmente linear entre temperatura e tensão entre 25 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! outros, para que se tenha uma maior vida útil do mesmo. Podemos dividir os termopares em três grupos: • Termopares de Base Metálica ou Básicos ; • Termopares Nobres ou a Base de Platina ; • Termopares Novos . Os term opar es de base met álic a ou básicos são os termopares de maior uso industrial, em que os fios são de custo relativamente baixo e sua aplicação admite um limite de erro maior. As nomenclaturas adotadas estão de acordo com as normas IEC 584-2 de julho de 1982. • Tipo T : • Composição: Cobre (+) / Cobre - Níquel (-). O fio negativo (liga) cobre-níquel é conhecido comercialmente como Constantán. • Faixa de Utilização: -200 a 350ºC • Características: Estes termopares são resistentes a corrosão em atmosferas úmidas e são adequados para medidas de temperaturas abaixo de zero. Seu uso no ar ou em ambientes oxidantes é limitado a um máximo de 350ºC devido a oxidação do fio de cobre. Podem ser usados em atmosferas oxidantes (excesso de oxigênio), redutoras (rica em hidrogênio, monóxido de carbono) e no vácuo; na faixa de -200 a 350ºC. • Identificação da polaridade: O cobre (+) é avermelhado e a liga de cobre - níquel (-) não. • Aplicação: Sua maior aplicação está em indústrias de refrigeração e ar condicionado e baixas temperaturas em geral. • Tipo J : • Composição: Ferro (+) / Cobre - Níquel (-). O fio negativo cobre - níquel é conhecido comercialmente como constantan. • Faixa de utilização: -40 a 750ºC • Características: Estes termopares são adequados par uso no vácuo, em atmosferas oxidantes, redutoras e inertes. A taxa de oxidação do ferro é rápida acima de 540ºC e o uso em tubos de proteção é recomendado para dar uma maior vida útil em altas temperaturas. O termopar do tipo J não deve ser usado em atmosferas sulfurosas (contém enxofre) acima de 540ºC. O uso em temperaturas abaixo de 0ºC não é recomendada, devido à rápida ferrugem e quebra do fio de ferro, o que torna seu uso em temperaturas negativas menor que o tipo T. 26 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Devido a dificuldade de obtenção de fios de ferro com alto teor de pureza, o termopar tipo J tem custo baixo e é um dos mais utilizados industrialmente. • Aplicação: Indústrias em geral em até 750ºC. • Tipo E : • Composição: Níquel - Cromo (+) / Cobre - Níquel (-). O fio positivo níquel-cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo cobre-níquel é conhecido como Constantan. • Faixa de utilização: -200 a 900ºC • Características: Estes termopares podem ser utilizados em atmosferas oxidantes e inertes. Em atmosferas redutoras, alternadamente oxidante e redutora e no vácuo, não devem ser utilizados pois perdem suas características termoelétricas. É adequado para uso em temperaturas abaixo de zero, desde que não esteja sujeito a corrosão em atmosferas úmidas. O termopar tipo E é o que apresenta maior geração de V/ºC do que todos os outros termopares, o que o torna útil na detecção de pequenas alterações de temperatura. • Identificação da Polaridade: O níquel - cromo (+) é mais duro que o cobre - níquel (-). • Aplicação: Uso geral até 900ºC. Nota: Os termopares tipo T, J e E tem como fio negativo a liga constantan, composto de cobre e níquel, porém a razão entre estes dois elementos varia de acordo com as características do fio positivo (cobre, ferro e níquel - cromo). Portanto a constantan do fio negativo não deve ser intercambiado entre os três tipos de termopares. • Tipo K : • Composição: Níquel - Cromo (+) / Níquel - Alumínio (-) O fio positivo níquel - cromo é conhecido comercialmente como Cromel e o negativo níquel - alumínio é conhecido como Alumel. O alumel é uma liga de níquel, alumínio, manganês e silício. • Faixa de utilização: -200 a 1200ºC • Características: Os termopares tipo K são recomendáveis para uso em atmosferas oxidantes ou inertes no seu range de trabalho. Por causa de sua resistência em oxidação, são melhores que os tipos T, J e E e por isso são largamente usados em temperaturas superiores a 540ºc. Podem ser usados ocasionalmente em temperaturas abaixo de zero graus. O termopar de Níquel - Cromo (ou Cromel) / Níquel - Alumínio (ou Alumel) como também é conhecido, não deve ser utilizado em: 1. Atmosferas redutoras ou alternadamente oxidante e redutora. 2. Atmosferas sulfurosas, pois o enxofre ataca ambos os fios e causa rígida ferrugem e quebra do termopar. 3. Vácuo, exceto por curtos períodos de tempo, pois o cromo do elemento positivo pode vaporizar causando descalibração do sensor. 27 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Termopares feitos com proporções variáveis destes dois elementos. Podem ser utilizados até 2000ºC em atmosferas inertes ou no vácuo. Não recomendado para atmosferas redutoras ou oxidantes. • Platinel Paládio 83% - Platina 14% - Ouro 3% (+) / Ouro 65% - Paládio 35% (-) Atuando em uma faixa de 1250ºC, se aproxima bastante do tipo K. Por sua composição conter somente metais nobres, apresenta excelente estabilidade em atmosfera oxidante, porém não recomendável em atmosfera redutora ou em vácuo. • Tungstênio 95% - Rhênio 5% (+) / Tungstênio 74% - Rhênio 26% Seu símbolo não normalizado e C. Este termopar pode ser utilizado continuamente até 2300ºC e por outros períodos até 2700ºC no vácuo, na presença de hidrogênio ou gás inerte. Não recomendado em atmosfera oxidante. Sua principal aplicação é em reatores nucleares. Variações na composição das ligas também existem como: • Tungstênio (+) / Tungstênio 74% - Rhênio 26% : Símbolo G (não oficial) ; • Tungstênio 97% - Rhênio 3% (+) / Tungstênio 75% - Rhênio 25% : Símbolo D (não oficial) . • Níquel - Cromo (+) / Ouro - Ferro (-) Usado em temperaturas criogênicas até -268, 15ºC. • Tipo N (Nicrosil / Nisil) • Níquel - Cromo - Silício (+) / Níquel - Silício (-) Este termopar desenvolvido na Austrália tem sido aceito e aprovado mundialmente, estando inclusive normalizado pela ASTM, NIST (NBS) e ABNT. Este novo par termoelétrico é um substituto ao termopar tipo K, apresentando um range de -200 a 1200ºC, uma menor potência termoelétrica em relação ao tipo K, porém uma maior estabilidade, menor drift x tempo, excelente resistência a corrosão e maior vida útil. Seu uso não é recomendado no vácuo. F.E.M. versus temperatura Limites de Erros dos Termopares E ntende-se por erro de um termopar, o máximo desvio que este pode apresentar em relação a um padrão, que é 30 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! adotado como padrão absoluto. Este erro pode ser expresso em Graus Celsius ou em porcentagem da temperatura medida, adotar sempre o que der maior. A tabela abaixo fornece os limites de erros dos termopares, conforme recomendação da norma ANSI MC 96.1 - 1982, segundo a IPTS-68. Tipo de Termopar Faixa de Temperatura Limites de Erro Standard (Escolher o Maior) Especial (Escolher o Maior) T 0 a 350ºC ±1ºC ou ±0,75% ±0,5ºC ou 0,4% J 0 a 750ºC ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% E 0 a 900ºC ±1,7ºC ou ±0,5% ±1ºC ou ±0,4% K 0 a 1250ºC ±2,2ºC ou ±0,75% ±1,1ºC ou ±0,4% S e R 0 a 1450ºC ±1,5ºC ou ±0,25% ±0,6ºC ou ±0,1% B 800 a 1700ºC ±0,5% - T -200 a 0ºC ±1ºC ou ±1,5% - E -200 a 0ºC ±1,7ºC ou ±1% - K -200 a 0ºC ±2,2ºC ou ±2% - Notas: - Estes limites atendem as normas ASTM-E-230/77 - USA, UNI 7938 - ITÁLIA, BS-4937 INGLATERRA, JIS C1602 - JAPÃO e IEC 584-2 de 1982 para termopares convencionais e de isolação mineral - Temperatura da junção de referência a 0º C. - Quando o limite de erro é expresso em % este se aplica a temperatura que está sendo medida. - Estes erros não incluem os erros devido a instalação. Apesar destes limites de erros atenderem a norma IEC 584-2 de 1982 e ainda serem utilizados, apresentando a revisão feita em junho de 1989 da IEC 584-2. Segundo esta norma internacional IEC 584-2 de 1989, foi adotado em diversos países do globo, inclusive adotada pela ABNT tornando-se uma NBR, as seguintes tolerâncias e faixas de trabalho para os termopares, todos eles referenciados a zero graus Celsius. Limites de erros para Termopares convencionais e minerais segundo a norma IEC584-2 (Revisão junho de 1989): 31 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Tipos de Termopares Classe 1 (Especial) Classe 2 (Standard) Classe 3 (Standard) Tipo T Range Tolerância Range Tolerância -40 a 125ºC ±0,5ºC 125 a 350ºC ±0,4% -40 a 133ºC ±1,0ºC 133 a 350ºC ±0,75% -67 a 40ºC ±1,0ºC -200 a -67ºC ±1,5% Tipo E Range Tolerância Range Tolerância -40 a 375ºC ±1,5ºC 375 a 800ºC ±0,4% -40 a 333ºC ±2,5ºC 333 a 900ºC ±0,75% 167 a 40ºC ±2,5ºC -200 a 167ºC ±1,5% Tipo J Range Tolerância Range Tolerância -40 a 375ºC ±1,5ºC 375 a 750ºC ±0,4% -40 a 333ºC ±2,5ºC 333 a 750ºC ±0,75% Tipo K/N Range Tolerância Range Tolerância -40 a 375ºC ±1,5ºC 375 a 1000ºC ±0,4% -40 a 333ºC ±2,5ºC 333 a 1200ºC ±0,75% -167 a +40ºC ±2,5ºC -200 a 167ºC ±1,5% Tipo S/R Range Tolerância Range Tolerância 0a 1100ºC ±1,0ºC 110 a 1600ºC ±[1 + 0,003 (t-1100)]ºC 0 a 600ºC ±1,5ºC 600 a 1600ºC ±0,25% Tipo B Range Tolerância Range Tolerância 600 a 1700ºC ±0,25% 600 a 800ºC ±4,0ºC 800 a 1700ºC ±0,5% Notas: a) A nomenclatura dos termopares segundo a IEC 584-2: Tipo T: Cobre / Cobre - Níquel Tipo J: Ferro / Cobre - Níquel Tipo E: Níquel - Cromo / Cobre - Níquel Tipo K: Níquel - Cromo / Níquel - Alumínio Tipo S: Platina - 10% Ródio /Platina Tipo R: Platina - 13% Ródio /Platina Tipo B: Platina - 30% Ródio / Platina - 6% Ródio Tipo N: Níquel - Cromo - Silício / Níquel – Silício b) Existem, segundo a norma DIN 43710, duas designações diferentes para os termopares que são o tipo U (cobre / cobre - níquel) e o tipo L (ferro / cobre - níquel). Estes termopares são análogos aos tipos T e J da ANSI e IEC, só que com composições químicas diferentes. Termopares de Classe Especial Conforme verificado nas tabelas anteriores, existem duas classes de precisão para termopares: a Classe Standard que é a mais comum e mais utilizada e a Classe Especial também chamada de "Premium Grade". Estes termopares são fornecidos na forma de pares casados; ou seja, com características de ligas com graus de pureza superiores ao Standard. Além disso há também todo um trabalho laboratorial para adequar num lote de 32 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! • Tensões mecânicas nos fios ; • Choque Térmicos ; • Fios de pequenos diâmetros ; • Altas temperaturas ; • Ambientes agressivos . A importância da verificação do termopar varia de acordo com a aplicação e o grau de precisão requerido, mas a maioria tem por objetivo maior precisão, maior segurança operacional, aumento da eficiência, melhor qualidade, redução nos índices de refugo, aumento do período entre paradas, diminuição da manutenção corretiva, menor desgaste de equipamento, menor periodicidade de troca de refratários e menores custos de produção. Métodos de Aferição Existem 2 técnicas de se aferir sensores de temperatura que são: a) Aferição absoluta ou por pontos fixos ; b) Por comparação . • A aferição Absoluta ou por Pontos Fixos baseia-se na verificação do sinal gerado por um termopar em vários pontos fixos de temperatura como pontos de solidificação, ebulição e pontos triplos de substâncias puras, padronizadas atualmente pela ITS-90. Escala de Temperatura Padronizada pela ITS-90: Zero Absoluto Ponto Triplo do Hélio Ponto Triplo do Neon Ponto de Ebulição do Nitrogênio Ponto Triplo do Argônio Ponto de Ebulição do Oxigênio Ponto Triplo do Mercúrio Ponto Triplo do Água Ponto Triplo do Hélio Ponto de Fusão do Gálio Ponto de Solidificação do Índio Ponto de Solidificação do Estanho Ponto de Solidificação do Zinco Ponto de Solidificação do Alumínio Ponto de Solidificação da Ouro Ponto de Solidificação do Cobre -273,15º C -259,3467º C -248,5939º C -195,7980º C -189,3442º C -182,9540º C -38,8344º C +0,01º C +29,7646º C +156,5985º C +231,9280º C +419,5270º C +660,3230º C +961,7800º C +1064,1800º C +1084,6200º C Para a realização da aferição coloca-se o sensor a ser aferido nestes pontos fixos e faz-se a leitura do sinal gerado com um instrumento padrão. O sinal lido é comparado com o valor conhecido do ponto fixo, verificando-se qual é o erro ou desvio do sensor em relação ao ponto fixo. Isto é feito em várias temperaturas diferentes para cobrir toda a faixa de trabalho do sensor. Este é um método de extrema precisão porém de dificuldade de realização, pois exige um laboratório altamente sofisticado assim como instrumentos padrões para a leitura. Devido ao grau de precisão e a repetibilidade alcançados (algumas vezes até de 0,0001ºC) é usado para a determinação sensores padrões. 35 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! • O método de comparação baseia-se na comparação do sinal gerado por um sensor padrão (referência) com o sensor a ser aferido, ambos no mesmo meio termostatado. O sensor padrão (para termopares usa-se normalmente os tipos S ou R) possui um certificado de aferição em várias temperaturas, levantado contra um padrão hierarquicamente superior a ele (padrão primário, secundário); e garantido sua precisão, estabilidade e repetibilidade devido ao seu uso não contínuo, além de todos os cuidados na sua manipulação. Como meio termostatado ou ambiente com teperatura controlada e estabilizada, usam-se diferentes tipos de banhos e fornos (para trabalhar em toda a faixa de temperatura), que garantem estabilidade e uniformidade, fundamentais para uma boa aferição. Usa-se Banho de Líquido Agitado para temperaturas negativas até aproximadamente 630ºC, garantindo excelente homogeneidade e estabilidade. Para temperaturas de -70 a 980ºC utiliza-se Banhos de Leito Fluidizado. Para valores superiores a 620ºC usam-se Fornos Elétricos Tubulares. Os procedimentos de aferição são : Coloca-se o forno numa temperatura desejada, com os termopares que se deseja aferir na mesma posição que o sensor padrão. Isto é fundamental para que tenhamos a mesma temperatura nos dois sensores. Espera-se um tempo de estabilização para a completa homogeneização do forno com os sensores a serem aferidos. Para a compensação da junção de referência, utiliza-se um banho de gelo ou zero eletrônico, caso o instrumento de leitura não o faça; ou ligando diretamente os termopares no instrumento se este tiver o circuito compensador da junção de referência. Um tempo para estabilização também é requerido. Faz-se a leitura dos sinais gerados tanto do padrão como dos sensores em teste. Corrigido o desvio do padrão (com seu respectivo certificado), faz-se a conversão dos sinais para unidades de engenharia (ºC ou ºF) e verifica-se a diferença entre as duas indicações (ºC teste - ºC padrão). Esta diferença não deve ser maior que os valores máximos admitidos por norma (veja Limites de erros para Termopares). Após estes procedimentos, eleva-se a temperatura do banho ou forno para um outro valor estabelecido e repete-se os itens anteriores, fazendo isto para diversas temperaturas. Segundo a ASTM E-220/86, o número de pontos de temperatura para se fazer uma aferição por comparação, depende muito do tipo de termopar e do grau de precisão requerido. Esta norma recomenda cobrir a faixa toda de trabalho do termopar de 100 em 100º, porém esta faixa de variação pode aumentar, usando-se a interpolação matemática para os valores não cobertos. A aferição por comparação é um método suficientemente preciso e de relativa facilidade de obtenção, não exigindo laboratórios sofisticados como no caso da aferição por pontos fixos. O desenho abaixo mostra uma aferição por comparação: Observação: 36 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! O fato da tensão de saída de um termopar ser desenvolvida em regiões de gradientes de temperatura, e não em junções, apresenta algumas implicações importantes ao se buscar uma precisão na medição de temperatura. É importante que os condutores dos termopares em regiões de gradientes de temperatura, sejam química e fisicamente homogêneos; qualquer porção não homogênea do termopar (partes dos condutores química ou fisicamente alterados), devem estar em áreas isotérmicas. Isto tem fundamental importância quando os sensores são aferidos depois de serem utilizados durante algum tempo. Num meio termostato, é provável que o gradiente de temperatura se encontre acima do comprimento um tanto limitado do termopar que está sendo aferido. Ao se aferir qualquer termopar, assume-se que as características termoelétricas são uniformes em todo o seu comprimento e a região de temperatura forme uma amostra representativa do restante da unidade. Com um termopar novo, sem uso, isto geralmente representa uma suposição satisfatória e a aferição será válida para qualquer distribuição subsequente de temperatura do longo dele. Sob certa condições de trabalho a altas temperaturas e ambientes agressivos, as características termoelétricas de alguns condutores do termopar podem se alterar gradualmente. Esta situação encontra-se representada na figura abaixo, onde o comprimento do termopar na região aquecida sofreu alterações. Uma vez que o material alterado, inevitavelmente, se estenda para dentro do gradiente de temperatura, o sinal gerado será modificado, muito embora as temperaturas das junções permaneçam constantes. Costuma-se freqüentemente fazer referência a este fenômeno com "Alteração do valor da Leitura do Termopar" (Thermocouple Drift). Agora deve estar aparente que a tentativa de aferir ou mesmo checar um termopar alterado, pela remoção do processo para um ambiente de aferição, não resultará em condições satisfatórias, pois o resultado obtido está totalmente dependente da localização do gradiente de temperatura de aferição ao longo do sensor. Por exemplo: se o termopar for imerso profundamente num banho ou forno de aferição, a parte contaminada não sofrerá um gradiente de temperatura, e o termopar parecerá que manteve seus valores originais de calibração (vide figura abaixo). Por outro lado, uma curta imersão expõe o material contaminado a um gradiente total de temperatura e irá aparecer uma alteração muito maior do que estava ocorrendo na prática. Portanto, torna-se impraticável simular uma situação do gradiente de temperatura de trabalho a que o sensor estava submetido, em relação a cada termopar enviado para ser aferido num forno de aferição. Restam duas possibilidades para garantir o desempenho preciso: ou se coloca periodicamente um sensor padrão no mesmo local de operação do termopar (processo) e faz-se uma checagem, ou substitui-se o sensor suspeito por uma unidade nova dentro das normas. 37 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! • Resistência de Isolação a Temperatura Ambiente : A resistência entre cada terminal do sensor e a bainha deve ser testada com uma voltagem entre 10 V a 100Vdc, sob temperatura ambiente entre 15ºC e 35ºC e uma umidade relativa não excedendo a 80%. A polaridade deve ser trocada em todos os terminais. Em todos os casos, a resistência de isolação mínima é 100M. • Resistência de Isolação a Máxima Temperatura : Com a voltagem não excedendo a 10 Vdc, a resistência de isolação entre cada terminal e a bainha não deve ser menor que a mostrada na tabela: Temperatura Máxima (ºC) Mínima Resistência de Isolação (M) 100 a 300 10 301 a 500 2 501 a 850 0,5 Nota: Dados oriundos da DIN-IEC 751 – 1985 Segundo a ASTM E - 1137, temos: Voltagem Aplicada (VOLTS DC) Temperatura (ºC) Resistência de Isolação Mínima (M) 10 a 50 25 ± 5 100 10 a 50 300 ± 10 10 10 a 50 650 ± 15 2 • Auto Aquecimento : O auto-aquecimento é causado pela corrente que passa pela resistência, oriunda do instrumento de leitura. Por efeito Joule, há a geração de calor, quando uma corrente elétrica atravessa uma resistência. ( P = R.i² ) Para uma medição de temperatura com termoresistência, este aquecimento pode levar a erros que comprometem esta medição; então este aquecimento tem que ser limitado a pequenos valores para que possa ser desprezado. Para isso deve-se limitar a corrente de excitação do sensor. Pela norma DIN-IEC 751/85, a potência máxima desenvolvida numa termoresistência não pode ser maior que 1,0 mW, o que na faixa de atuação do sensor dá uma corrente máxima de 3mA. Valores típicos recomendados são da ordem de 1 a 2 mA. A elevação da temperatura equivalente ao aumento da dissipação de calor na termoresistência não deve exceder a 0,3ºC. • Tipos de Montagens : Na montagem convencional com bainha preenchida, tem-se o sensor montado em um tubo metálico com uma extremidade fechada e preenchidos todos os espaços com óxido de magnésio, permitindo uma boa troca térmica e protegendo o sensor de choques mecânicos. A ligação do bulbo é feita com fios de cobre, prata ou níquel isolados entre si; sendo a extremidade aberta, selada com resina epóxi, vedando o sensor do ambiente em que vai atuar Ainda assim neste tipo de montagem, a termoresistência não apresenta muita resistência mecânica e não dispõe de condições para efetuar curvas, bem como tem 40 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! limitações relativas ao diâmetro externo e comprimento total. Para suprir este problema dimensional, foi desenvolvida a termoresistência de isolação mineral, na qual o bulbo sensor é interligado a um cabo de isolação mineral com fios de cobre comuns. Este tipo de montagem permite a redução do diâmetro, não limita o comprimento, apresenta rápida velocidade de resposta é dá uma maior flexibilidade permitindo dobras e curvas do cabo que antes era impossível, podendo ser utilizada onde o acesso não era possível. Obs.: As montagens com termoresistências são feitas de maneira similar as termopares quanto ao emprego de acessórios com cabeçotes, tubos e poços, bucins, niples, entre outros. Apresentamos um gráfico ilustrativo de tempo de resposta de uma termoresistência isolação mineral. • Princípios de Medição a 2, 3 e 4 fios : Existem normalmente dois instrumentos principais para determinar a resistência ôhmica das termoresistências, que são pontes de medição (Ponte de Wheatstone) e os eletrônicos. O circuito em ponte é bastante utilizado em laboratórios, devido a sua alta precisão e em alguns sistemas industriais. Esta resistência de fiação tende a aumentar quanto maior for a distância entre o sensor e o instrumento, menor for a bitola dos fios ou maior a temperatura ambiente. Quando a ponte estiver balanceada (não circular corrente pelo galvanômetro) temos: Temos que mesmo com a ponte balanceada, o valor da resistência R3 é igual a R4 mais as resistências de fiação RL1 e RL2; que dependendo de seus valores podem induzir erros graves na medição de temperatura com termoresistência. Temos abaixo uma tabela que mostra a relação bitola dos condutores x distância máxima, entre termoresistência a dois fios e instrumento receptor. DIÂMETRO DISTÂNCIA MÁXIMA (AWG) (mm) (metros) 14 1,63 18,1 16 1,29 11,4 18 1,02 7,2 20 0,81 3,0 22 0,64 1,9 24 0,51 1,8 26 0,40 1,1 41 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! Este é o método mais utilizado para as termoresistências na indústria. Neste circuito a configuraçào elétrica é um pouco diferente, fazendo cm que a alimentação fique o mais próximo possível do sensor, permitindo que a RL1 passe para o outro braço da ponte, balanceandio o circuito. Na ligação a 2 fios as resistências de linha estavam em série com o sensor, agora na ligação a 3 fios elas estão separadas. Como : Se os fios de ligação forem do mesmo tipo, tiverem o mesmo comprimento e diâmetro e estiverem na mesma temperatura, eles terão o mesmo valor de resistência (RL1 = RL2). Se Conhecendo-se o valor de R3 tem-se R4 e na tabela tem-se a temperatura. Notas: - O terceiro fio atua somente como condutor de compensação, não influenciando nos cálculos de medição de resistência. - A integridade de medição de uma ligação a 3 fios pode ser mantida somente se a ponte for balanceada. Portanto uma técnica mais precisa para medição de temperatura com termoresistência é a ligação a 4 fios. - Ligação a Quatro Fios A fonte de corrente S, fornece uma corrente estabilizada e conhecida através da termoresistência R e a tensão gerada é medida com um voltímetro de alta impedância ou potenciômetro. Desta forma a resistência dos condutores exerce um feito desprezível sobre a medição. Este tipo de medição a 4 fios é pouco usado em indústrias, tendo sua maior aplicação em laboratórios e sendo usado em sensores padrões. • Outros Tipos de Bulbos de Resistência : Existem vários tipos de sensores com características diferentes do Pt-100 convencional. São elas: 42 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! iluminação pública e sensores indireto de outras grandezas, como velocidade e fim de curso. • LDR : O LDR (Light Dependent Resistor, Resistor Dependente da Luz) tem sua resistência diminuída ao ser iluminado. É composto de um material semicondutor, o sulfeto de cádmio, CdS. A energia luminosa desloca elétrons da camada de valência para a de condução (mais longe do núcleo), aumentando o número destes, diminuindo a resistência. A resistência varia de alguns F 05 7 , no escuro, até centenas de F 0 5 7, com luz solar direta. Os usos mais comuns do LDR são em relés fotoelétricos, fotômetros e alarmes. Sua desvantagem está na lentidão de resposta, que limita sua operação. • Foto Diodo : É um diodo semicondutor em que a junção está exposta à luz. A energia luminosa desloca elétrons para a banda de condução, reduzindo a barreira de potencial pelo aumento do número de elétrons, que podem circular se aplicada polarização reversa. A corrente nos foto-diodos é da ordem de dezenas de mA com alta luminosidade, e a resposta é rápida. Há foto-diodos para todas as faixas de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta, dependendo do material. O foto-diodo é usado como sensor em controle remoto, em sistemas de fibra óptica, leitoras de código de barras, scanner (digitalizador de imagens, para computador), canetas ópticas (que permitem escrever na tela do computador), toca-discos CD, fotômetros e como sensor indireto de posição e velocidade. • Foto Transistor : É um transistor cuja junção coletor-base fica exposta à luz e atua como um foto-diodo. O transistor amplifica a corrente, e fornece alguns mA com alta luminosidade. Sua velocidade é menor que a do foto-diodo. Suas aplicações são as do foto-diodo, exceto sistemas de fibra-óptica, pela operação em alta freqüência. • Células Fotovoltaicas : São dispositivos que convertem energia luminosa em elétrica. O diodo iluminado intensamente na junção pode reverter a barreira de potencial em fonte de elétrons, produzindo energia. A eficiência do processo é baixa devido a pouca transparência da junção (somente as camadas superficiais são iluminadas), apenas alguns %. Seu uso principal está nos painéis solares. Outro dispositivo é a foto-célula de selênio (um semicondutor), de operação similar. Usa-se em medidores de luminosidade e aparelhos de análise química (como foto- colorímetros). 45 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! SENSORES DE VELOCIDADE Empregam-se nos controles e medidores de velocidade de motores dentro de máquinas industriais, eletrodomésticos como videocassete e CD, unidades de disquetes e Winchesters de computadores, na geração de eletricidade (garantindo a freqüência da CA), entre outros. - Tacogerador : É um pequeno gerador elétrico de CC, com campo fornecido por imã. A tensão gerada, pela Lei de Faraday é proporcional à velocidade com que o fluxo magnético é cortado pelo enrolamento do rotor. Assim, o Tacogerador é um transdutor mecânico elétrico linear. V = K n K é uma constante que depende do campo do imã, do número de espiras e pólos e das dimensões do rotor; n é a rotação do eixo (por minuto, rpm, ou segundo, rps). A polaridade da tensão gerada depende do sentido de rotação. • Interruptor de Lâminas : Conhecido como reed-switch (em inglês), compõe-se de duas lâminas de ferro próximas, dentro de um pequeno envoltório de vidro. Ao se aproximar um imã ou solenóide as duas lâminas se encostam, fechando os contatos externos. Instalando-se um imã na periferia de uma roda, que gira poucos mm em frente ao interruptor de lâminas, este fechará os contatos a cada volta. Se este for ligado a uma tensão contínua, gerará pulsações numa freqüência proporcional à rotação da roda. Além de seu uso como sensor de velocidade, é encontrado em alarmes, indicando porta ou janela fechada (um imã é instalado nesta, e o reeds-witch no batente), e em sensores de fim-de-curso, em máquinas industriais, gavetas de toca-discos CD e videocassete, etc. • Sensores Ópticos : Emprega-se foto-diodos ou foto-transistor e uma fonte luminosa, lâmpada, LED ou laser. Há dois tipos básicos: Sensor de reflexão Interrupção de luz. No sensor de reflexão um feixe luminoso atinge um disco com um furo ou marca de cor contrastante, que gira. O sensor recebe o feixe refletido, mas na passagem do furo a reflexão é interrompida (ou no caso de marca de cor clara a reflexão é maior), e é gerado um pulso pelo sensor. 46 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! O sensor de interrupção de luz usa também um disco com furo, e a fonte de luz e o sensor ficam em lados opostos. Na passagem pelo furo, o feixe atinge o sensor, gerando um pulso. A freqüência destes pulsos é igual à velocidade, em rps, nos dois tipos. As vantagens destes sensores são o menor tamanho e custo, a maior durabilidade e a leitura à distância. É usado em sistemas de controle e tacômetros portáteis. SENSORES DE VAZÃO Servem para medir o fluxo de líquidos, sólidos ou mesmo ar em tubulações. • Sensor de turbina : Se instalarmos uma turbina ou roda dentada numa tubulação, o fluxo fará esta girar, convertendo a vazão em velocidade, que pode ser medida como já visto. • Sensor por diferença de pressão : Quando uma tubulação se estrangula, pela redução do diâmetro, há uma queda de pressão, e a velocidade do fluído aumenta. Medindo-se a diferença de pressão através do desnível numa coluna de mercúrio, pode-se calcular a vazão. Este processo é usado em medidores de vazão em processos industriais, não automáticos. • Sensor Térmico : Quando um gás ou líquido flui sobre um corpo aquecido, retira calor deste, reduzindo a temperatura de forma proporcional à velocidade do fluído. Se colocarmos um sensor de temperatura, como um NTC, aquecido a uma temperatura maior que a do fluído, podemos avaliar a vazão pela variação da resistência. Para obtermos um sinal que compense as variações na temperatura do fluído, usamos um sensor em Ponte de Wheatstone diferencial. Há dois NTC’s em contato com o fluído, mas um deles protegido do fluxo, numa cavidade, o qual faz a compensação de temperatura. A diferença de tensão indica a vazão. Este sensor em ponte também é usado para medir diferenças de temperatura. SENSORES DE POSIÇÃO Em aplicações em que se necessita monitorar a posição de uma peça, como tornos automáticos industriais, ou contagem de produtos, ou verificar a posição de um braço de um robô ou o alinhamento de uma antena parabólica com outra ou um satélite, usam-se sensores de posição. Os sensores se dividem em posição linear ou angular. Também se dividem entre sensores de passagem, que indicam que foi atingida uma posição no movimento, os detectores de fim-de-curso e contadores, e sensores de posição que indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento. 47 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! variável, tem esta característica, dentro de uma faixa em torno de metade do comprimento do núcleo móvel, ferromagnético. Usa 3 enrolamentos fixos, alinhados, sendo aplicada a alimentação no central, os 2 outros estão em série, mas com os terminais invertidos, de modo que as tensões se subtraem. Quando o núcleo fica na posição central, a tensão induzida nos 2 enrolamentos são iguais, se cancelando. Ao se deslocar o núcleo, o acoplamento entre o enrolamento central e cada um dos outros varia, e as tensões não se cancelam, resultando uma tensão de saída cuja fase é diferente, conforme o núcleo penetre mais numa ou outra bobina. O LVDT é usado em posicionadores de precisão, desde frações de mm até dezenas de cm. É usado em máquinas ferramentas, CNC e robôs industriais. • Sensores Ópticos : São sensores que atuam por transmissão de luz. Além dos já vistos, há os encoders (codificadores), que determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. Se dividem em relativos, nos quais a posição é demarcada por contagem de pulsos transmitidos, acumulados ao longo do tempo, e absolutos, onde há um código digital gravado no disco ou trilho, lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor). Os códigos adotados são os de Gray, nos quais de um número para o seguinte só muda um bit, o que facilita a identificação e correção de erros. A demarcação do disco ou trilho é feita através de furo ou ranhuras, ou por pintura num disco plástico transparente, que podem ser feitos através de técnicas fotolitográficas, permitindo grande precisão e dimensões micrométricas. A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor. Estes sensores são muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta, CNC e outros. CONTROLADORES 50 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! São os blocos que tomam as decisões de acordo com a entrada e a realimentação, para o caso de malhas fechadas, enviando um comando a algum sistema elétrico ou pneumático. AÇÕES DE CONTROLE A forma como se interpreta e se envia os vários sinais de controle dá-se o nome de ação de controle e esta se divide em 4 tipos que deve ser especificada no caso da especificação de um controlador. • Ação Liga/Desliga (On-off) : O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador. Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador. As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas. • Controle Proporcional : A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador. Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada). Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista. Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase estável (controlada). Este erro limita a precisão do controle proporcional. • Controle Integral : Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos 51 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!! intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico. Por exemplo, se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2, que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa. O uso do integrador como controlador faz com que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador, e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais lento. • Controle Proporcional e Integral : É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e um integrador. Este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores. • Controle Proporcional e Derivativo : Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade) de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência de variação da grandeza. O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua tendência de variação. Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador, ambos tendo o sinal de erro na entrada, temos então o controlador proporcional e derivativo. A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador. Inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada). A desvantagem é que o diferenciador é um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-altas, o que pode levar a distúrbios durante o processo de controle. • Controle Proporcional, Integral e Derivativo : 52 Só fazemos melhor aquilo que repetidamente insistimos em melhorar, a busca da excelência não deve ser um objetivo e sim um hábito !!!