metrologia e instrumentação.pdf

SRIE PETRLEO E GS

METROLOGIA E INSTRUMENTAO

APLICADA A PETRLEO E GS

SRIE PETRLEO E GS


APLICADAS A PETRLEO E GS

CONFEDERAO NACIONAL DA INDSTRIA CNI

Robson Braga de AndradePresidente

DIRETORIA DE EDUCAO E TECNOLOGIA DIRET

Rafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor de Educao e Tecnologia

SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL SENAI

Conselho Nacional

Robson Braga de AndradePresidente

SENAI Departamento Nacional

Rafael Esmeraldo Lucchesi RamacciottiDiretor Geral

Gustavo Leal Sales FilhoDiretor de Operaes


APLICADAS A PETRLEO E GS

SRIE PETRLEO E GS

2012. SENAI Departamento Nacional

2012.SENAI Departamento Regional do Rio de Janeiro

Reproduo total ou parcial desta publicao por quaisquer meios, seja eletrnico, mecnico, fotocpia, de gravao ou outros, somente ser permitida com prvia autorizao, por escrito, do SENAI.

Esta publicao foi elaborada pela equipe do Ncleo de Educao a Distncia do SENAI do Rio de Janeiro, com a coordenao do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distncia.

SENAI Departamento NacionalUnidade de Educao Profissional e Tecnolgica UNIEP

SENAI Departamento Regional do Rio de JaneiroNcleo de Educao a Distncia NUCED

FICHA CATALOGRFICACatalogao-na-Publicao (CIP) Brasil Biblioteca Artes Grficas SENAI-RJ

SENAI/DN.Metrologia e instrumentao aplicadas a petrleo e gs / SENAI/DN [e]

SENAI/RJ. Braslia : SENAI/DN, 2012.128 p. : il. ; 29,7 cm. (Srie Petrleo e Gs).

ISBN 978-85-

1. Indstria petroqumica. 2. Metrologia. I. SENAI/RJ. II. Servio Nacional de Aprendizagem Industrial. III. Ttulo. IV. Srie.

CDD: 665.5

S491m

SedeSetor Bancrio Norte Quadra 1 Bloco C Edifcio Roberto Simonsen 70040-903 Braslia DF Tel.: (0xx61) 3317-9001Fax: (0xx61) 3317-9190 http://www.senai.br

SENAIServio Nacional de Aprendizagem IndustrialDepartamento Nacional

Lista de ilustraes

Figura 1 Controle da unidade de processo de uma refi naria de petrleo 11Figura 2 Smbolos e nmeros formam as grandezas fsicas 15Figura 3 Paqumetro 29Figura 4 Termmetro de dilatao de lquidos 29Figura 5 Exemplo de erro aleatrio 32Figura 6 Na plataforma de petrleo, a instrumentao necessria 43Figura 7 Exemplo de rede com tecnologia Hart 44Figura 8 Exemplo de rede Fieldbus 45Figura 9 Tipo coluna reta 49Figura 10 Tipo coluna em U 50Figura 11 Tipos de Bourdon 51Figura 12 Manmetro C 52Figura 13 Manmetro de Fole 53Figura 14 Manmetro de diafragma 53Figura 15 Manmetro com contato eltrico 54Figura 16 Manmetro de selo 55Figura 17 Tipos de sifo 55Figura 18 Fitas extensiomtricas 56Figura 19 Sensor Piezoeltrico 57Figura 20 Sensor Capacitivo 58Figura 21 Temperatura x presso 61Figura 22 Exemplo de norma da ABNT 62Figura 23 Termmetro de capela 63Figura 24 Termmetros de dilatao 64Figura 25 Termmetro bimetlico 65Figura 26 Termopar com indicador 65Figura 27 Efeito Seebeck 67Figura 28 Efeito Peltier 67Figura 29 Lei dos circuitos monogneos 69Figura 30 Leis dos metais intermedirios 69Figura 31 Juntas de referncia 72Figura 32 Vantagens dos termopares de isolao mineral 74Figura 33 Associao de termopares em srie 76Figura 34 Associao em srie oposta 76Figura 35 Esquema da associao em paralelo 77Figura 36 Sensor Pt100 com mianga de xido de magnsio com bainha 79Figura 37 Sensor Pt100 79Figura 38 Termorresistncias com mianga 80

Figura 39 Ponte de wheatstone 81Figura 40 Ponte de wheatstone com termorresistncia a dois fi os 81Figura 41 Ponte de wheatstone com termorresistncia a trs fi os 82Figura 42 Tipos de escoamento 86Figura 43 Placa de orifcio 88Figura 44 Placa de orfcio numa tubulao 88Figura 45 Tubo Venturi 89Figura 46 Tubo de Pitot 89Figura 47 Medidor de vazo tipo turbina 90Figura 48 Medidor de vazo (Coriolis) 91Figura 49 Rgua e gabarito 92Figura 50 Visor de nvel tubular e vidro plano 93Figura 51 Visor de nvel plano 93Figura 52 Medidor de nvel utilizando boia 94Figura 53 Medidor por presso diferencial 94Figura 54 Medidor de nvel capacitivo 95Figura 55 Medidor de nvel de ultrassom 96Figura 56 Ponte de wheatstone 97Figura 57 Vlvula de processo 98Figura 58 Malha aberta 100Figura 59 Malha fechada 100Figura 60 Controlador 101Figura 61 Vlvula de controle 102Figura 62 Tipos de controle 104Figura 63 Medidor com clula de zircnio clula com prisma 105Figura 64 Medidor com clula de zircnio 105Figura 65 Grfi cos do analisador de oxignio (O2) 106Figura 66 Controle feedback 107Figura 67 Controle em cascata 108Figura 68 Controle de relao 109Figura 69 Controle Split-Range 110Figura 70 Fluxograma de reduo de riscos 111Figura 71 Escala de instrumento analgico 111Figura 72 Registrador 112Figura 73 Transmissor 112Figura 74 Vlvula conversora 112Figura 75 Controladores 113Figura 76 Curva caracterstica do erro de histerese 115Figura 77 Malha de processo 120

Sumrio

1. Introduo 11

2. Sistemas de grandezas (mtrico, ingls) 15

2.1 Introduo metrologia dimensional 17

2.2 Converso de unidades 22

2.3 Mltiplos, submltiplos 24

2.4 Instrumentos de medidas (medidas lineares) 27

2.5 Noes de normas e legislao aplicada metrologia 40

3 Instrumentao bsica 43

3.1 Bsico de instrumentao 43

3.2 Medio de Presso 45

3.3 Temperatura 59

3.4 Medio de vazo Princpios e defi nies 83

3.5 Nvel 91

3.6 Elementos fi nais de controle 98

3.7 Analisadores de Gases 104

3.8 Tipos de malhas de processo 107

4. Fluxogramas 111

4.1 Caractersticas gerais de instrumentos utilizados nas indstrias de Petrleo, Qumica, Farmacutica, Alimentos e Siderrgica 111

4.2 Terminologia utilizada em instrumentao que defi ne caractersticas estticas e dinmicas dos instrumentos 113

4.3 Simbologia 116

4.4 Malha de processo Identifi cao de instrumentao 119

Referncias 123

Introduo

Jos

Mar

iano

Soa

res

Pint

o Co

elho

Figura 1 Controle da unidade de processo de uma refi naria de petrleo

1

Este livro tem como fi nalidade apresentar de forma rpida os equipamentos e os processos, uti-lizados na indstria de petrleo. Acompanhe alguns dos assuntos que sero abordados a seguir.

MEDIO

Contedo em que ter uma viso das prticas de medio, dos instrumentos de medio utilizados e das variveis de processo. Acompanhe no quadro ao lado.

MEDIO DE VAZO Voc saber como feita a medio de vazo em petrleo e gs e os princi-pais instrumentos utilizados.

MEDIO DE PRESSO Voc conhecer as tcni-cas de medio de presso nos poos de petr-leo e os instrumentos empregados.

PressoTemperatura NvelVazoControle de processoAnlise de gasesProtocolos empregados na comunicao dos instrumentos de medidas como: Protocolo Hart e Protocolo Fieldbus)Os instrumentos que so utiliza-dos em plataformas de extrao de petrleo e em refi narias

METROLOGIA E INSTRUMENTAO APLICADAS A PETRLEO E GS12

1 PETROLFERA

Indstria de petrleo.

MEDIO DE NVEL Voc poder conhecer as tcnicas de medio do nvel dos tanques abertos e dos tanques fechados. Tambm fi car sabendo como feito o armazenamento de Petrleo e Gs.

MEDIO DE TEMPERATURA Voc vai descobrir como os sensores so utiliza-dos na indstria de petrleo e gs.

MEDIO DE GASES Neste item voc ver que se trata de uma operao realizada com o emprego de clulas especiais.

METROLOGIA Voc vai conhecer as tcnicas de calibrao, conceitos e estabe-lecimento de tratamentos estatsticos. Depois de aprender as tcnicas voc vai descobrir que a indstria de Petrleo e Gs utiliza essas medidas na obteno de certifi cados de calibrao para garantir a confi abilidade do que foi medido.

CONTROLE DE PROCESSO Com este conceito voc vai identifi car as princi-pais tcnicas utilizadas pelos controladores nas plataformas e refi narias de Petrleo e Gs.

Metrologia e Instrumentao Aplicadas a Petrleo e Gs

COMPONENTES CURRICULARES CARGA HORRIA

Mdulo Bsico

Mdulo Especfi co Profi ssional (1 Etapa)

Mdulo Especfi co Profi ssional (2 Etapa)

CARGA HORRIA TOTAL: TCNICO EM PETRLEO E GS: 1.200H

Fundamentos Tcnicos e Cientfi cos de Petrleo e Gs

Comunicao/Informtica 32h

Fundamentos da Indstria de Petrleo e Gs 60h

QSMS 24hMetrologia e Instrumentao Aplicadas a Petrleo e Gs 80h

Qumica Aplicada ao Petrleo e Gs 80h

Fsica Aplicada ao Petrleo e Gs 80h

Operao de Sistema Produtivo na Cadeia de Petrleo e GsExplorao On-shore e Off -shore 160h

Tecnologias do Sistema Produtivo On-shore e Off -shore 160h

Processamento do Petrleo e Gs 100h

Logstica e Manuteno da Cadeia de Petrleo e Gs 64h

Planejamento e Atividade na Cadeia de Petrleo e GsGesto de Pessoas 40h

Gesto da Produo 80h

Controle da Qualidade de Insumos, Produtos e Processos na Cadeia de Petrleo e GsEnsaios Analticos na Cadeia de Petrleo e Gs 80h

Avaliao de Desempenho de Insumos, Produtos e Processos 60h

Manuteno em Sistemas Produtivos na Cadeia de Petrleo e GsManuteno Industrial 100h

356h

484h

360h

13

Anotaes:

1 INTRODUO

A norma ABNT NBR ISO31-11:2006 adota um sistema de grandezas fsicas. Ele est estrutura-do em sete grandezas. Confi ra no quadro a seguir.

Sistemas de grandezas

2

Figura 2 Smbolos e nmeros formam as grandezas fsicas

Comprimento

Massa

Tempo

Intensidade de corrente eltrica

Temperatura termodinmica

Quantidade de matria

Intensidade luminosa In-F

lio

/Pau

la M

oura

Basicamente, quando falamos de sistema de grandeza podemos pensar em dois sistemas:

Sistema mtrico Sistema ingls

S =n 1

k = 1 (Xk X)2

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

16 METROLOGIA E INSTRUMENTAO APLICADAS A PETRLEO E GS

SISTEMA MTRICO

Este sistema utiliza o metro como padro. O termo metro teve origem na pala-vra grega Metron que signifi ca medir.

No Brasil, o sistema mtrico foi implantado pela Lei Imperial n 1.157, de 26 de junho de 1862. Esta lei estabeleceu um prazo de dez anos para que os padres an-tigos fossem inteiramente substitudos.

O metro a que se refere a Lei foi defi nido como sendo a distncia entre os dois extremos da barra de platina, depositada nos arquivos da Frana e apoiada nos pontos de fl exo mnima na temperatura de zero grau Celsius.

SISTEMA INGLS

O sistema ingls tem como padro a jarda. Esse termo tem origem na palavra inglesa Yard que signifi ca vara. uma referncia ao uso de varas nas medies. Es-se padro foi criado por alfaiates ingleses. No sculo XII, em consequncia da sua grande utilizao, esse padro foi ofi cializado pelo rei Henrique I. A jarda teria si-do defi nida, ento, como a distncia entre a ponta do nariz do rei e a de seu pole-gar, com o brao esticado.

As relaes existentes entre a jarda, o p e a polegada tambm foram institu-das por leis, nas quais os reis da Inglaterra fi xaram que:

1 jarda = 3 ps = 36 polegadas1 polegada = 25,4 mm1 p = 12 polegadas1 milha terrestre = 1.760 jardas = 5.280 ps A polegada, unidade adotada pelo sistema ingls, em mecnica, pode ser re-

presentada por dois sistemas:

Sistema binrio (fracionrio) Sistema decimalO sistema binrio (fracionrio) caracteriza-se pela maneira de sempre dividir

por dois a unidade e as suas fraes. Assim, obtm-se, da polegada, a seguinte s-rie decrescente:

1", , , , , , , 1 1 1 1 1 1 12" 4" 8" 16" 32" 64" 128"

2 SISTEMAS DE GRANDEZAS 17

O sistema decimal caracteriza-se por ter, sempre, no denominador da frao, uma potncia de base dez, como mostra a srie:

Os termos milsimo e dcimo de milsimo de polegada so os mais utilizados na prtica. Nas medies em que se requer maior exatido, utiliza-se a diviso de milionsimos de polegada, tambm chamada de micropolegada. Em ingls, mi-cro inch. representado por inch.

Exemplo: 0,000001 = 1 inch

2.1 INTRODUO METROLOGIA DIMENSIONAL

Metrologia a cincia da medio, veremos ver a seguir alguns conceitos que sero empregados ao longo deste livro.

Nos laboratrios de metrologia necessrio controlar a entrada de pessoas, a temperatura e a umidade relativa do ar. A indstria de petrleo e as refinarias necessitam de instrumentos de medidas calibrados e com confiabilidade metrolgica.

= =

==

=

= 1 "1"11"

10

= 0,001"1" 1"103 1000

= 0,0001"1" 1"104 10000

= 0,1"1" 1"101 10

= 0,01"1" 1"102 100

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Metrologia legalMetrologia cientfi caCalibraoControle metrologiaMedirMedio Grandeza

AjusteExatido de medioIncerteza de medioErro de medio Erro aleatrioErro sistemticoPadro

Confi ra na pgina seguinte a defi nio de cada um desses conceitos.

VOCSABIA?


In-F

lio

/Pau

la M

oura

Metrologia legal Parte da metrologia que se refere s exigncias legais, tcnicas e administrativas, relativas s unidades de medida, aos mtodos de medio, aos instrumentos de medir e s medidas materializadas.

Metrologia cientfi ca Refere-se s unidades de medida e seus padres, assim como estabelecimento, reproduo, conservao e transmisso dos dados. Seu objetivo a padronizao das unidades no mais alto nvel, pesquisando processos para a medio de grandezas e encarregando-se, tambm, de sua normatizao, sistematizao e aprimoramento.

Calibrao o confronto de um instrumento de medio com um padro. Os instrumentos de medida utilizados nas refi narias e plataformas de petrleo so calibrados e emitido um certifi cado de calibrao.

Controle metrologia So operaes que visam assegurar a garantia pblica nos principais campos da metrologia legal.

Medir o procedimento experimental pelo qual o valor momentneo de uma grandeza fsica determinado como um mltiplo e/ou frao de uma unidade estabelecida por um padro.

Medio o conjunto de operaes que tem como objetivo determinar um valor para uma grandeza.

Grandeza Atributo de um fenmeno, corpo ou substncia que pode ser qualitativamente distinguido e quantitativamente determinado.

Ajuste Operao destinada a fazer com que um instrumento de medio tenha desempenho compatvel com seu uso.

Exatido de medio Grau de concordncia entre o resultado de uma medio e um valor verdadeiro do mensurando. Em ingls, o termo accuracy of measurement.

Incerteza de medio Parmetro, associado ao resultado de uma medio, que caracteriza a disperso dos valores que podem ser fundamentadamente atribudos a um mensurando.

Erro de medio Resultado de uma medio menos o valor verdadeiro do mensurando. Uma vez que o valor verdadeiro no pode ser determinado, utiliza-se na prtica, um valor verdadeiro convencional.

Erro aleatrio o resultado de uma medio menos a mdia que resultaria de um infi nito nmero de medies do mesmo mensurando, efetuadas sob condies de repetitividade. Observaes:

1. O erro aleatrio igual ao erro menos o erro sistemtico.

2. Em razo de que apenas um fi nito nmero de medies pode ser feito, possvel apenas determinar uma estimativa do erro aleatrio.

Erro sistemtico Mdia que resultaria de um infi nito nmero de medies do mesmo mensurando, efetuadas sob condies de repetitividade, menos o valor verdadeiro do mensurando.

Padro Medida materializada, instrumento de medio, material de referncia ou sistema de medio destinado a defi nir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza, para servir como referncia.


Acompanhe em seguida os diversos padres com suas defi nies:

Padro primrio Padro secundrio Padro internacionalPadro nacionalPadro de trabalho

Padro primrioPadro que designado ou amplamente reconhecido como tendo as mais altas qualidades metrolgicas e cujo valor aceito sem referncia a outros padres de mesma grandeza.

Padro secundrioPadro cujo valor estabelecido por comparao a um padro primrio da mesma grandeza.

Padro internacionalPadro reconhecido por um acordo internacional, servindo como base para estabelecer valores a outros padres da grandeza a que se refere.

Padro nacionalPadro reconhecido por uma deciso nacional para servir, em um pas, como base, com a fi nalidade de estabelecer valores a outros padres da grandeza a que se refere.

Padro de trabalhoPadro utilizado rotineiramente para calibrar ou controlar medidas mate-rializadas, instrumentos de medio ou materiais de referncia.

Rastreabilidade

Propriedade do resultado de uma medio ou do valor de um padro que es-teja relacionado s referncias estabelecidas. Geralmente padres nacionais ou in-ternacionais, por meio de uma cadeia contnua de comparaes, todas tendo in-certezas estabelecidas.

Instrumentao

o conjunto de tcnicas e instrumentos usados para observar, medir, registrar, controlar e atuar em fenmenos fsicos. A instrumentao preocupa-se com o es-tudo, desenvolvimento, aplicao e operao dos instrumentos.


Sistema internacional de medio

Sistema coerente de unidades adotado e recomendado pela Conferncia Ge-ral de Pesos e Medidas (CGPM). Desde 3 de maio de 1978, pelo Decreto n 81.621, o Brasil adota o Sistema Internacional de Unidades (SI). O Sistema baseado, atual-mente, nas sete unidades de base. Veja a relao abaixo:

GRANDEZA UNIDADE SMBOLO

Padres de referncia

Padres de transferncia

Padres de trabalho

Hierarquia de padres

Os padres, independentemente da organizao a que pertencem, seja um la-boratrio industrial ou laboratrio de um instituto de pesquisa de alta tecnologia, devem, internamente, ser classifi cados em:

Comprimento

Massa

Tempo

Corrente eltrica



Intensidade luminosa

metro

quilograma

segundos

ampre

Kelvin

mol

candela

m

kg

s

A

K

mol

cd

Padro primrio

Padro secundrio

Padro tercirio (indstria )

Unidades bsicas do sistema

Hierarquia dos laboratrios metrolgicos

Esta classifi cao permite estabelecer a disseminao dos valores das grande-zas estabelecidas pelo Sistema Internacional de Unidades, desde a sua defi nio, o desenvolvimento do fenmeno fsico escolhido por acordo internacional, at as mais simples aplicaes do processo de medio na cadeia produtiva.

A preciso das medidas difere largamente entre os diversos nveis da hierarquia dos laboratrios metrolgicos. Esta hierarquia possui os seguintes nveis:


In-F

lio

/Pau

la M

oura

No entanto, periodicamente, so realizados programas interlaboratoriais para estabelecer a disperso com que a grandeza defi nida internacionalmente, eles so defi nidos nos vrios institutos internacionais que participam do Bir Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

Fomos chamados para verifi car um problema em um transmissor de tem-peratura, de uma plataforma de extrao de petrleo. No instrumento TT 2201T02, o operador alegava defasagem de medio. Na sala de controle, a indicao do transmissor era de 82,25C.

O operador estava utilizando um termmetro de 4 dgitos, com um sen-sor termopar, tipo J manual, ele afi rmou que mediu durante uma hora e que o termmetro tinha certifi cado de calibrao, tendo observado que a tem-peratura do tanque estava errada (temperatura medida: Ter 002 78,70C).

Foi solicitada uma PT (Permisso de Trabalho), em funo da defasagem de 2,55 C. A temperatura mxima do tanque de 90C (no processo) e a tole-rncia do processo 0,5%, o que d uma temperatura de 0,45C, muito acima do erro. Foi medida a temperatura do sensor que, na ocasio, marca-va 82,30 C. O transmissor foi calibrado e no foi encontrado erro de medi-o. Solicitamos ao operador o certifi cado de calibrao do termmetro e constatamos que o termmetro estava com o certifi cado vencido. Ento, o termmetro foi encaminhado para a calibrao, onde se verifi cou o erro na medio. O termmetro foi calibrado e comunicamos, a operao que s utilizasse termmetros com validade de calibrao.

CASOS E RELATOS

Os padres primrios nacionais so calibrados em relao aos padres prim-rios internacionais. No pice desta hierarquia teramos um impasse, pois no sa-beramos quem deveria calibrar os padres de referncia internacionais.

Como estes padres so defi nidos por acordo internacional, eles so adotados por conveno, levando em conta o fato de que a realizao do fenmeno fsico que defi ne a grandeza no est sujeita aos erros comumente identifi cados nos ou-tros padres.


2.2 CONVERSO DE UNIDADES

Unidades usadas no Brasil

UNIDADES SMBOLO GRANDEZA

Metro

Metro quadrado

Metro cbico

Quilograma

Litro

Mililitro

Quilmetro

Metro por segundo

Hora

Minuto

Segundo

Grau Celsius

Kelvin

Hertz

Newton

Pascal

Watt

Ampre

Volt

Candela

Mol

m

m2

m3

kg

l

ml

km

m/s

h

min

s

C

K

Hz

N

Pa

W

A

V

Cd

Mol

Comprimento

rea

Volume

Massa

Volume ou Capacidade

Volume ou Capacidade

Comprimento (distncia)

Velocidade

Tempo

Tempo

Tempo

Temperatura Celsius

Temperatura

Frequncia

Fora

Presso

Potncia

Corrente eltrica

Tenso eltrica




Sempre que uma medida estiver em uma unidade diferente daquela que se es-t utilizando, ela deve ser convertida, ou seja, precisamos mudar a unidade da me-dida. Por conta disso, para converter polegada em milmetro necessitamos de uma informao precisa. Acompanhe com ateno!

UNIDADE DE PRESSO

Pa (N/m2) cm.H2Opsi mmHgkgf/cm2 pol.Hgpol.H2O atm bar

1

9,8064 x 10-4

6,8948 x 103

249,08

98,064

3,3864 x 103

133,32

1,0133 x 105

1 x 105

0,010197

1000

70,31

2,540

1

34,53

0,001359

1033

1019,7

1,45 x 10-4

14,22

1

0,03613

0,01422

0,4912

0,01934

14,69

14,504

7,501 x 10-3

735,6

51,71

1,868

0,7356

25,40

1

760,0

750,06

1,0197 x 10-5

1

0,07031

0,00254

0,0010

0,03453

0,00136

1,033

1,0197

2,953 x 10-4

28,96

2,036

0,07355

0,02896

1

0,03937

29,92

29,53

4,0147 x 10-3

393,7

27,68

1

0,3937

13,5951

0,5352

406,79

401,47

9,8692 x 10-6

0,9678

0,06805

0,00246

9,678 x 10-4

0,03342

0,00132

1

0,98692

1 x 10-5

0,98069

0,06895

0,0249

9,8064 x 10-4

0,03386

1,3332 x 10-3

1,0133

1

CONVERSO DE UNIDADES DE PRESSO

Em presso podemos usar vrios tipos de unidades de presso. No sistema SI, a unidade usada o Pascal (Pa). Observe alguns exemplos de unidades:

Pa, kgf/cm2, mHg, mH2O, lbf/pol2 (Psi), atm e bar

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Sabendo-se que uma polegada mede 25,4mm, a converso de polegada decimal em milmetro ou de polegada binrio em milmetro feita quando multiplicamos o valor da polegada decimal ou binrio por 25,4mm.

Tabela de converso de presso


2.3 MLTIPLOS E SUBMLTIPLOS

Resistncia eltrica

SUBMLTIPLOS

SUBMLTIPLOS/MLTIPLOS

UNIDADE

UNIDADE

UNIDADE

SMBOLO

VALOR

VALOR

FATOR DE MULTIPLICAO

Miliohm

Mltiplos

Quiloohm

Megaohm

Gigaohm

microvolt

milivolt

volt

quilovolt

megavolt

m

Unidade

k

M

G

V

mV

V

kV

MV

10-3

Valor

103

106

109

106 V

103 V

1 V

103 V

106 V

Tabela de converso baseada no Sistema Internacional de Unidades (SI)

Tenso eltrica

exametro

petametro

terametro

gigametro

megametro

quilmetro

hectmetro

decmetro

metro

decmetro

centmetro

milmetro

micrometro

nanometro

picometro

femtometro

attometro

Em

Pm

Tm

Gm

Mm

km

hm

dam

m

dm

cm

mm

m

nm

pm

fm

am

1018 = m

1015 = m

1012 = m

109 = m

106 = m

103 = m

102 = m

101 = m

1 = m

101 = m

102 = m

103 = m

106 = m

109 = m

1012 = m

1015 = m

1018 = m


Ampre

Potncia eltrica



UNIDADE

UNIDADE

VALOR

VALOR

Picoampre

Nanoampre

Microampre

Miliampre

Ampre

Quiloampre

Mega-ampre

microwatt

miliwatt

watt

quilowatt

megawatt

pA

A

A

mA

A

kA

MA

W

mW

W

kW

MW

1012 A

109 A

106 A

103 A

1

103 A

106 A

106 W

103 W

1

103 W

106 W

Unidades e padres

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Para realizar uma medio necessrio identifi car a existncia da unidade, estabelecida por um padro, segundo uma conveno prpria, regional, nacional ou internacional.

Estabeleceu-se, em 1960, atravs do Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), um conjunto coerente de unidades: o Sistema Internacional de Unidades (SI), que consta das unidades de base, unidades derivadas e unidades suplementares.

O SI defi niu sete grandezas fsicas independentes e estabeleceu para cada grandeza um valor unitrio, identifi cado atravs de um padro.


GRANDEZA FUNDAMENTAL

GRANDEZA

DEFINIO

UNIDADE

UNIDADE

SMBOLO

SMBOLO

EXPRESSO EM UNIDADES DE BASE

Comprimento

Massa

Tempo

Corrente eltrica




rea

Volume

Massa especfi ca

Vazo

Velocidade

Concentrao de substncia

Volume especfi co

Luminncia

metro quadrado

metro cbico

quilograma/metro cbico

metro cbico/segundo

metro /segundo

mol/metro cbico

metro cbico/quilograma

candela/ metro quadrado

metro

quilograma

segundo

ampre

kelvin

candela

mol

m2

m3

kg/m3

m3/s

m/s

mol/m3

m3/kg

cd/m2

m

kg

s

A

K

cd

mol

Unidades derivadas

m2

kg/m3

kg/m3

m3/s

m/s

mol/m3

m3/kg

cd/m2

Metro o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vcuo, durante um intervalo de tempo de 1/299792458.

O quilograma a massa representada pelo prottipo internacional do quilograma, conservado no BIPM, em Sves, Frana.

O segundo a durao de 9192631770 perodos, da radiao correspondente transio entre dois nveis hiperfi nos do estado fundamental, do tomo de csio 133.

Corrente eltrica invarivel que mantida em dois condutores retilneos, paralelos, de comprimento infi nito e de rea de seo transversal desprezvel e situados no vcuo a um metro de distncia um do outro produz entre esses condutores uma fora igual a 2 x 103 Newton, por metro de comprimento desses condutores.

Frao 1/273, 16 da temperatura termodinmica do ponto trplice da gua.

Intensidade luminosa, numa direo dada, de uma fonte que emite uma radiao monocromtica de frequncia 540 x 1012 hertz e cuja intensidade energtica naquela direo 1/683 watt por esferorradiano.

O mol a quantidade de matria de um sistema que contm tantas entidades elementares, quantos so os tomos contidos em 0,012 quilograma de carbono.

Grandezas fsicas


2.4 INSTRUMENTOS DE MEDIDA (MEDIDAS LINEARES)

CALIBRAO DE INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Este procedimento se aplica a qualquer instrumento a ser calibrado. Acompa-nhe os itens que compem este procedimento:

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Atividades: Execuo nas calibraes

Responsabilidade: Metrologista

Superviso: Gerente tcnico

Temperatura Vibrao Umidade Relativa do Ar

As escalas tero valores reais e mais ou menos um percentual de medio.

O laboratrio ter que atender s condies:

Uma boa iluminao, ambiente limpo e arejado.No poder haver trnsito de pessoas estranhas em seu interior.Os padres no podero sair do laboratrio.O metrologista dever ser treinado periodicamente.O procedimento de calibrao ter que ser revisado periodicamente.

Condies ambientais

As condies ambientais devem atender ao processo de calibrao.

Veja quais so elas:

Os instrumentos a serem calibrados devero ser limpos e isentos de graxa.


MEDIO

Podemos dizer que as medidas resultam de um processo em que as entradas (os fatores metrolgicos) so identifi cadas como amostras: mtodo, operador, equi-pamento, condies ambientais em uma medida. Dessa maneira, pode-se enten-der medida como o produto do processo de medio e, nesse sentido, a sua qua-lidade o resultado do processo gerencial.

Assim, antes de utilizar uma medida como informao, relevante para qualquer tomada de deciso, necessrio estudar o processo de medio, de modo a co-nhecer todas as fontes de variao associadas aos fatores metrolgicos.

A este estudo chamamos metrologia.

PROCESSO DE MEDIO

Medir o procedimento experimental pelo qual o valor momentneo de uma grandeza fsica (grandeza a medir GM) determinado como o mltiplo ou frao de uma unidade , estabelecida por um padro, e reconhecida internacionalmente.

A operao de medio (Sistema de Medio SM) denominada:

Instrumento de medio (pequeno porte)Mquina de medir (em forma de mquina)Medidor de temperaturaA medida obtida pela aplicao dos chamados parmetros caractersticos do

SM leitura. Estes parmetros devem ser de conhecimento do metrologista, an-tes do incio da operao de calibrao. Podem ser expressos atravs de constan-tes, aditivas, multiplicativas, equaes lineares ou no lineares, tabelas ou grfi cos.

Equipamentos

Amostra

Operador

Mtodo

CondiesAmbientais

Medida

In-F

lio

/Pau

la M

oura


Figura 3 Paqumetro

SISTEMAS DE MEDIO

Os diversos sistemas de medio revelam a existncia de trs elementos fun-cionais bem defi nidos e que se repetem com grande frequncia.

Transdutor Unidade de tratamento de sinal Indicador

ReceptorIndicador ou registrador

Unidade de tratamento

de sinaisTransdutor

GRANDEZA A MEDIR

Todo trabalho ter que ser feito com a maior segurana. Sem utilizar os EPIs, em caso de acidente voc ser o maior prejudicado.

FIQUEALERTA

O transdutor o mdulo de SM que est em contato com a grandeza a medir. O transdutor transforma a gran-deza em sinal eltrico proporcional, segundo uma funo de transferncia, e denominado de sensor. O sinal gera-do no transdutor enviado, via cabo, para a unidade de tratamento de sinal, que amplifi ca e entrega ao indicador, produzindo uma leitura da unidade. O termmetro possui os trs elementos funcionais. A temperatura a ser medida absorvida pelo lquido, no interior do bulbo que o trans-dutor; o tubo capilar amplifi ca este sinal (transforma a varia-o volumtrica em uma variao da coluna do fl uido). O in-dicador formado pela coluna do lquido contra a escala.

Figura 4 Termmetro de dilatao de lquidos

In-F

lio

/Ste

la M

artin

s

In-F

lio

/Cris

Mar

cela


E = M VV

RESOLUO DA MEDIO

A medida, obtida de SM, sempre expressa por meio de um nmero e a uni-dade de medida. O trabalho de medio no termina com a obteno da medida. Neste ponto, que se inicia o trabalho do metrologista. Ele dever checar a infor-mao denominada resultado da medio.

O resultado da medio (RM) expressa o que se pode determinar como sendo o valor da grandeza a medir. Ele composto de duas parcelas:

O chamado resultado base (RB), que corresponde ao valor da faixa que deve situar o valor verdadeiro da grandeza medida.

E a incerteza do resultado (IR) que exprime a faixa de dvida ainda pre-sente no resultado, provocadas por erros presentes no SM, variaes da grandeza medir.

Assim, o resultado da medio expresso pela relao

RM = RB IR unidade

O procedimento de determinao do RM realizado baseado nos itens a seguir:

Conhecimento aprofundado do processo que defi ne a grandeza a ser medida.

Conhecimento do sistema de medio (caractersticas metrolgicas e operacionais).

Bom senso.

ERRO DE MEDIO

O erro de medio caracterizado como a diferena entre o valor efetivamen-te medido por um SM e o valor verdadeiro desta grandeza.

Onde

E erro de medio

M medida

VV valor verdadeiro


Na prtica, o valor verdadeiro desconhecido, usamos o valor verdadeiro con-vencional (vv), como o valor conhecido com erro no superior a um dcimo do er-ro de medio esperado.

Para eliminar o erro de medio necessrio empregar um SM perfeito sobre a grandeza a medir, perfeitamente defi nida e estvel. Na prtica, no se consegue um SM estvel. Portanto, impossvel eliminar o erro de medio do valor.

Contundo, mesmo sabendo da existncia do erro de medio, ainda possvel obter informaes confi veis.

TIPOS DE ERRO

Para melhor entender o erro de medio, podemos considerar o erro como al-go composto de trs parcelas:

Onde

VVC = valor verdadeiro convencionalE = M VVC

Erro grosseiro (Eg) Geralmente, decorrente do mau uso ou mau funcio-namento de SM. Pode ocorrer em funo de leitura errnea, operao indevi-da ou dano do SM. Seu valor totalmente imprevisvel, porm, a sua existn-cia facilmente detectvel.

Erro sistemtico (Es) uma parcela de erro sempre presente nas medies realizadas em idnticas condies de operao. Um indicador com ponteiro torto um exemplo clssico de erro sistemtico, que sempre se repetir enquanto o ponteiro estiver torto.

Tanto pode ser causado por problema de ajuste ou desgaste do sistema de me-dio, quanto por fatores construtivos. Pode ainda ser infl uenciado por fatores ex-ternos, como as condies ambientais. O erro sistemtico, embora se repita se a me-dio for realizada em condies idnticas, geralmente no constante ao longo de toda faixa em que o SM pode operar.

E = Eg + Es + Ea

Onde

E = Erro de medio

Eg = Erro grosseiro

Es = Erro sistemtico

Ea = Erro eleatrio


Erro aleatrio Quando uma medio repetida diversas vezes, nas mes-mas condies observam-se variaes nos valores obtidos. Em relao ao valor mdio, nota-se que estas variaes ocorrem de forma imprevisvel, tanto nos valores acima quanto nos que esto abaixo do valor mdio.

Diversos fatores contribuem para o surgimento do erro aleatrio. A existncia de folga interna em instrumentos mecnicos, ou problemas nas condies am-bientais, podem, por exemplo, contribuir para o aparecimento deste tipo de erro.

Figura 5 Exemplo de erro aleatrio

O erro aleatrio o erro encontrado nos instrumentos em virtude de folga no mecanismo.

VOCSABIA?

CONCEITOS DE PROBABILIDADE

Existem funes cujo comportamento perfeitamente previsvel. Estas funes so denominadas determinsticas. A funo f(x) = 2x 4 uma funo determins-tica, desde que seu valor esteja perfeitamente caracterizado quando x defi nido. A funo determinstica muito empregada em modelos matemticos idealizados.

36 VIM

Vocabulrio Internacional de Metrologia

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

A

C

B

D


CLCULO DE INCERTEZA DE MEDIO

Mensurando a grandeza especfi ca submetida medio.

Incerteza Tipo A (uA)

A incerteza do tipo A a incerteza calculada com base numa distribuio de pro-babilidade. Por adotar fatores estatsticos, para a determinao deste tipo de incerte-za deve-se executar uma srie de repeties em iguais condies. Segundo Liska (1997), para bons resultados, o nmero de repeties deve ser, de, no mnimo, dez, e ainda contar com um mensurando de boa qualidade. Caso essa incerteza seja calcu-lada em condies de calibrao, devem ser utilizados padres de tima qualidade.

Incerteza Tipo A (uA)

Incerteza Tipo B (uB)

RESULTADO DE UMA MEDIO (RM)

Segundo o VIM, o RM o valor atribudo ao objeto que est sendo medido, va-lor obtido por medio. Em geral, o RM somente uma aproximao ou estimati-va do valor de uma quantidade especfi ca que pode ser medida. Segundo INMETRO (2003), este resultado somente estar completo quando ele contiver tanto o valor atribudo ao mensurando, quanto a incerteza de medio associada a este valor.

Neste documento, todas as grandezas que no so conhecidas exatamente so tratadas como variveis aleatrias, incluindo as grandezas de infl uncia que po-dem afetar o valor medido.

INCERTEZA DE MEDIO

A palavra incerteza, dentro do contexto metrolgico, signifi ca dvida. Assim, de forma ampla, incerteza da medio signifi ca dvida sobre o resultado de uma medio.

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Pode-se defi nir o mensurando como sendo o objeto que dever ser medido, a fi m de se verifi car a sua conformidade com as especifi caes de projeto ou de qualidade.


O procedimento a ser adotado mostrado a seguir:

1. Executar um nmero n de medies

2. Calcular o desvio padro das medies

3. Calcular a incerteza (conforme utilizao).Adotando-se valores individuais (situao mais crtica):

S =n 1

k = 1n

(Xk X)2

u = n

u =s

Adotando-se mdias dos valores (quando consideramos a mdia como o resul-tado das medies):

Incerteza Tipo B (uB)

A incerteza do tipo B o mtodo de avaliao da incerteza realizado por ou-tros meios que no a anlise estatstica de uma srie de observaes. Segue abai-xo alguns exemplos de incertezas do tipo B.

Dados de medies anteriores. Especifi caes de fabricantes. Experincia na utilizao e verifi cao do comportamento do instrumen-

to com tempo.

Dados fornecidos em certifi cados de calibrao.

Onde:

s = Desvio padro

Xk = Resultado da medio atualX = Mdia dos resultadosn = Nmero de mediesk = ndice da medio atua


INCERTEZA DECLARADA COM FATOR DE ABRANGNCIA K (NVEL DE CONFIANA) INFORMADO

Alguns fabricantes fornecem, atravs dos manuais ou certifi cados de calibra-o, um valor de fator de abrangncia, que baseado no nvel de confi ana dos resultados fornecidos pelo instrumento, em que:

k = 2: a incerteza declarada foi estimada para um nvel de confi ana de 95%

k = 3: a incerteza declarada foi estimada para um nvel de confi ana de 99,73%

Tanto a incerteza expandida quanto o fator de abrangncia so obtidos dos certifi cados de calibrao e a partir destes dois valores pode-se determinar o va-lor da incerteza padro (incerteza do tipo B), pois basta dividir o resultado da in-certeza expandida pelo fator de abrangncia.

Tabela de Student

NVEL DE CONFIANA (P) T DE STUDENT

90%

95%

99%

1,64

1,96

2,58

LIMITES DE ERRO ESPECIFICADOS PELO FABRICANTE

Em alguns casos o fabricante fornece apenas os limites de erro do equipamen-to de medio. Nestes casos, adota-se o seguinte procedimento:

Calcular a que a mdia dos limites inferior e superior

Calcular a incerteza do tipo B pela expresso

u = a3

INCERTEZA GERADA POR EFEITOS SISTEMTICOS NO COMPENSADOS

Em algumas situaes prticas os erros sistemticos no so compensados e a distribuio desses erros no simtrica, em relao a um ponto de referncia. Com isso, o clculo da incerteza fi ca mais difcil. Assim, para simplifi car os clculos no cho de fbrica, contrariando o rigor matemtico, a incerteza de medio pode ser


determinada atravs de uma distribuio retangular, em que usada a diferena entre o maior e o menor valor encontrado nas medies como numerador. Desta forma, temos a incerteza de medio determinada como indicada abaixo:

Onde:

Mi o maior valor encontrado

Mj o menor valor encontrado

u =Mi Mj

3

INCERTEZA DEVIDO RESOLUO DE UM INSTRUMENTO ANALGICO

Nos sistemas com mostradores analgicos a resoluo terica zero. Entretan-to, em funo das limitaes do operador, da qualidade do dispositivo indicador e da prpria necessidade de se realizar leituras mais ou menos criteriosas, a reso-luo adotada (RA) pode ser:

RA = Valor da diviso (VD), quando o mensurando apresenta fl utuaes superiores ao prprio VD, ou no caso de tratar-se de uma escala grosseira ou de m qualidade.

RA = VD/2, quando se tratar de SM de qualidade regular ou inferior; e/ou o mensurando apresentar fl utuaes signifi cativas; e/ou quando o erro de indicao direta no for crtico.

RA = VD/5, quando se tratar de SM de boa qualidade (traos e ponteiros fi nos, etc.) e a medio em questo tiver de ser feita criteriosamente.

RA = VD/10, quando o SM for de qualidade, o mensurando estvel, a medio for altamente crtica quanto a erros de indicao direta e a incerteza do SM for inferior ao VD.

Considerando o que foi dito no pargrafo anterior, pode-se dizer que ao se uti-lizar um instrumento de medio analgico, o operador est sujeito ao erro de ar-redondamento, por conta da resoluo adotada para o sistema de medio. Em funo disto, durante o processo de medio, introduzida uma componente adi-cional de incerteza. Seu efeito de natureza aleatria e pode ser quantifi cado atra-vs dos limites mximos possveis, segundo uma distribuio retangular. Assim, o mximo erro de arredondamento decorre da resoluo adotada (RA) e a incerte-za de um instrumento analgico ser dada por:

u = RA3


INCERTEZA DEVIDO RESOLUO DE UM INSTRUMENTO DIGITAL

Em alguns casos, devemos utilizar o valor da resoluo do instrumento (R) e calcular a incerteza pela expresso:

Isto aplicvel, por exemplo, quando o instrumento tiver o seu mostrador di-gital, em que o valor mostrado pode variar devido ao truncamento numrico.

INCERTEZA DEVIDO INFLUNCIA DA TEMPERATURA

Considerando que existem variaes de temperatura, mesmo num ambiente controlado, faz-se necessrio considerar a parcela de incerteza de medio decor-rente. Para este tipo de incerteza, assume-se uma distribuio triangular. Deve-se considerar a mxima variao de temperatura dentro dos limites de especifi cao, ou a mxima variao de temperatura possvel entre a pea e o sistema de medi-o, caso no seja feita a correo. Esta parcela de incerteza determinada por uma distribuio triangular, calculada conforme a equao abaixo:

u = R32

Onde:

L = Variao no comprimentoL = Comprimento nominal ou mdia das medies

= Coefi ciente de dilatao trmica do material (ao: a = 11,8 m/C)T = Variao da temperatura (variao expressa em C no clculo)

u = =L LT

6 6

Onde:

L = Variao no comprimentoF = Variao mxima na fora de medioL = Comprimento medido

A = rea da seco transversal

E = Mdulo de elasticidade do material

u = =L FL

6 6

DEFORMAO DEVIDO FORA DE MEDIO

Mais uma considerao importante para instrumentos dimensionais. A defor-mao devido fora de medio apresentada na equao a seguir:


Acompanhe a seguir algumas das incertezas de medio tipo B. evidente que existem outras fontes de incerteza que tambm podem ser enumeradas. As incer-tezas demonstradas aqui nem sempre so vlidas para todos os casos.

GRAU DE LIBERDADE (vp)

Grau de liberdade corresponde ao nmero n de observaes independentes de uma determinada varivel. Entretanto, um grau de liberdade ser perdido pa-ra cada restrio que existir sobre as n observaes. Em geral, consideramos que o grau de liberdade dado pela expresso:

Vp = n 1

GRAU DE LIBERDADE EFETIVO (eff)

Grau de liberdade efetivo o valor que estima a combinao dos graus de li-berdade (in) associados a cada uma das incertezas padro, com uma ponderao pelas respectivas incertezas padro (VIM). Seu clculo feito usando-se a frmula de Welch-Satterwaite.

MENSURANDO VARIVEL

O mensurando ser considerado varivel se o seu valor no permanecer cons-tante durante todo o perodo de estudo ou de interesse no seu valor, ou ainda quando as variaes puderem ser percebidas pelo sistema de medio.

MENSURANDO INVARIVEL

O mensurando ser considerado invarivel se o seu valor permanecer constan-te durante todo o perodo em que houver interesse no seu valor, ou quando as va-riaes no puderem ser percebidas pelo SM. Pode-se dizer tambm que o men-surando invarivel quando as suas variaes forem inferiores resoluo do SM, ou quando no h variaes.

Veff =uc

V1 V2 V3 Vi

4

u14 u2

4 u34 ui

4

+ + ++ ...


INCERTEZA COMBINADA (ic)

A incerteza combinada consiste na soma quadrtica das diversas incertezas de medio apresentadas por um instrumento qualquer, ou seja:

Este valor no adotado como real, pois representa uma probabilidade esta-tstica de aproximadamente 68% de se encontrar o erro de medio, e assim no constitui uma boa aproximao. Para determinar a incerteza com nvel de confi an-a maior, deve-se calcular a incerteza expandida, cujo valor estar dentro de uma confi ana de 95%. O valor da incerteza combinada contempla tambm as incer-tezas herdadas dos padres corrigidos, se necessrio, conforme as diretrizes dos certifi cados de calibrao correspondentes.

INCERTEZA EXPANDIDA

A incerteza expandida (U), defi nida como sendo a grandeza que defi ne um inter-valo em torno do resultado de uma medio, que pode englobar uma grande frao da distribuio de valores que, por sua vez, podem ser razoavelmente atribudos ao mensurando (VIM). Esta frao pode ser vista como a probabilidade de abrangncia ou nvel de confi ana do intervalo. Para associar um nvel de confi ana ao intervalo defi ni-do pela incerteza expandida so necessrias suposies explcitas ou implcitas, com respeito distribuio de probabilidade caracterizada pelo resultado da medio e sua incerteza combinada. O nvel de confi ana que pode ser atribudo a este intervalo s pode ser conhecido na medida em que tais suposies possam ser justifi cadas.

uc = u1 u22 u3

2 ui2+ + ++ ...

muito comum a incerteza expandida ser representada pelo smbolo U e o fator de abrangncia pelo smbolo k e, em geral, o nvel de confi ana de 95%. O fator de abrangncia k95% equivale ao coefi ciente de Student para dois desvios padro.

Onde:

k o fator de abrangncia para o nvel de confi ana desejado.

U = k uc

2

O uso de EPI obrigatrio em qualquer tipo de trabalho. Lembre-se de que o maior prejudicado em um acidente pode ser voc.

FIQUEALERTA


VOCSABIA?

PRINCIPAIS CONSIDERAES NA AVALIAO DA IM EM MEDIO DIRETA

Na metrologia dimensional, quando se realizam medies diretas, as principais fontes de incerteza que podem estar presentes durante o processo so:

A incerteza da calibrao do sistema de medio (IC), que a incerteza herdada

O arredondamento devido resoluo do sistema de medio (IR)A infl uncia da diferena de temperatura entre a pea e a escala do sistema

de medio (IT)

A incerteza do Tipo A (uA)A tendncia dos sistemas de medio, que a infl uncia sistemticaA infl uncia da fora de medioDiferena entre o material da pea e o do SMOutras fontes de incerteza podem estar presentes, mas, neste trabalho, o que

ser considerado se o sistema de medio est adequado ao uso, se o operador est capacitado para realizar a medio corretamente e se o mensurando no so-fre modifi cao indevida pelo sistema de medio. Assim, as fontes de incerteza podem ser identifi cadas e avaliadas de forma consistente e segura.

2.5 NOES DE NORMAS E LEGISLAO APLICADA METROLOGIA

No Brasil, essa norma denominada NBR ISO/IEC 17025, utilizada pelo INMETRO, com credenciamento do laboratrio a ser integrado RBLE Rede Brasileira de La-boratrios de Ensaio e a RBC Rede Brasileira de Calibrao.

Quanto incerteza da medio, a expresso da incerteza era considerada um grande obstculo na harmonizao entre os sistemas de medio. O CIPM Comi-t Internacional de Pesos e Medidas articulou um frum de especialistas de di-versas instituies internacionais (ISO, IEC International Electrotechnical Com-mission BIPM, OIML, IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry,

Os conceitos de unidades de medida sero utilizados nas prticas de calibrao e no ajuste dos instrumentos de medida.


IUPAP International Union of Pure and Applied Physics e IFCC International Federation of Clinical Chemistry) para produzir um guia que apresentasse os pre-ceitos tericos e defi nisse uma maneira sistematizada para a expresso da incer-teza. Este guia conhecido como GUM Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, cuja primeira edio em ingls foi lanada em 1993. O Brasil pu-blicou a segunda edio revisada, em portugus, em agosto de 1998.

Este captulo procurou defi nir os modos e os critrios necessrios para se calibrar um instrumento (calibrar confrontar o instrumento com um pa-dro). Vimos que antes de realizar a calibrao precisamos conhecer o sis-tema de numerao, as converses de unidades, as noes de normas e a legislao utilizadas pelos laboratrios de calibrao. Assim, defi nir a incer-teza de medio como defi nir o erro presente no ensaio feito no instru-mento. Os possveis erros so: erro do metrologista que fez o ensaio, erro do padro, erro das condies ambientais etc. Antes de fazer o ensaio pre-cisamos conhecer o modo de como se calcula esta incerteza. Para isso, es-tudamos toda a parte matemtica inserida nas frmulas e tabelas necess-rias a esse clculo.

RECAPITULANDO

3.1 BSICO DE INSTRUMENTAO

Na indstria de petrleo e gs natural as variveis mais importantes so a vazo e o nvel, pois elas so usadas como variveis de transferncia, ou mesmo como seus medidores, sendo a base para a compra e venda destes produtos. As outras variveis so medidas para fi ns de com-pensao, mudanas de volume para massa, estabelecimento de condies padro de transfe-rncia e segurana de operao.

Instrumentao bsica

3

Figura 6 Na plataforma de petrleo, a instrumentao

CNI

Estas variveis so:

PressoNvel VazoTemperatura


Os processos exigem controles rgidos, pois vo determinar a qualidade do pro-duto. Os processos industriais podem ser divididos em dois tipos:

O Protocolo Hart, desenvolvido em torno de 1980, pela Rosemount Inc., ele representou a grande revoluo na instrumentao destes processos, pois permitiu a tranfe-rncia da varivel medida para a sala de controle. Inicial-mente com proprietrio, o protocolo logo passou a ser de uso gratuito. Em 1993, os direitos autorais do protocolo passaram para Hart Communication Foundation (HCF).

VOCSABIA?

Figura 7 Exemplo de rede com tecnologia Hart

Processo contnuo

Processo descontnuo

Em ambos os caso teremos de manter as variveis de processo em um deter-minado valor.

Este conjunto de instrumentos forma uma malha de processo.

PROTOCOLOS UTILIZADOS NA INDSTRIA DE PETRLEO E GS

PROTOCOLO HART

O Protocolo Hart (highway address remote transduce) um sistema que combina o padro 4 a 20mA com a comunicao digital, permitindo conectar instrumentos a um computador. Utiliza dois fi os com uma taxa de comunicao de 1200 bits/s.

Analgico

HartHart

Interface4 20mA

Dados digitais

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

3 INSTRUMENTAO BSICA 45

3.2 MEDIO DE PRESSO

Todos os instrumentos de presso so empregados nas indstrias Qumicas, Farmacuticas, Petrleo e Gs, entre outras.

Presso defi nida como a relao de uma fora aplicada sobre uma rea.

PROTOCOLO FIELDBUS

Fieldbus um sistema de comunicao digital bidirecional usado para interligar instrumentos inteligentes, instalados no campo com os sistemas de controle, geral-mente, localizados na sala de controle. Os instrumentos inteligentes podem forne-cer informaes de diagnstico e controle, reduzindo a quantidade de instrumen-tos de uma malha de controle. Este padro permite a comunicao de mltiplas va-riveis entre vrios instrumentos, proporcionando uma melhora no desempenho dos processos de produo e automao. Os instrumentos possuem funes avan-adas, disponveis para a melhoria do controle, permitindo a calibrao remota ( distncia), possibilitando um diagnstico automtico e facilitando a manuteno. O Fieldbus reduz os custos de manuteno, instalao e partida. Os custos da fi ao so reduzidos em at 66%, ou mais, pois o Fieldbus permite a instalao de mais de um instrumento no mesmo par de fi os. Alm disso, podem ser conectados novos instrumentos sem a necessidade de instalao de uma nova fi ao. Outra caracte-rstica importante deste padro de transmisso a imunidade a rudos, pois todos os dados so transmitidos digitalmente, aumentando a preciso dos mesmos.

Este conjunto de instrumentos forma uma malha de processo.

Estao de manutenoEstao de operao

Dados de diagnstico

SadaFeedback

FeedbackAlarme

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Figura 8 Exemplo de rede Fieldbus


A varivel a que permite medir a presso, assim como tambm se pode me-dir outras variveis, tais como: Nvel e Vazo.

P Presso

F Fora a unidade Newton (N)

A rea a unidade m2P = F

A

P1 + . g . h1 = P2 + . g . h2 = cte

Newton por metro quadrado Pascal (Pa), como se apresenta a unidade de presso no Sistema Internacional de Unidade (SI). Por ser muito pequena, comum represent-la como o KPa e MPa.

UNIDADES DE PRESSO

Vamos relacionar e estudar os princpios, as leis e os teoremas da Fsica utiliza-dos na medio de presso.

TEOREMA DE BERNOULLI

TEOREMA DE STEVIN

Este teorema foi estabelecido por Stevin. Ele relaciona as presses estticas exercidas por um fl udo em repouso.

= Peso especfi co

Relao entre peso e volume de uma determinada. A unidade usual kgf/m3.

P2 . P1 = P = ( h2 h1 ) *

P1 + .V1 + . g . h1 = P2 + .V2 + . g . h2 = cte1 12 2

2

Lei da conservao de energia

Quando a velocidade nula

2

h1

P1P2

h2


PRINCPIO DE PASCAL

A presso exercida em qualquer ponto de um lquido esttico se transmite in-tegralmente em todas as direes e produz a mesma fora em reas iguais.

O Volume deslocado

Equao manomtrica

P1 =F1A1

P1 =F1A1

P1 = P2 = =F1 F2A1 A2

A1 x h1 = A2 x h2V1 = A1 x h1 V2 = A2 x h2

A presso tambm pode ser defi nida como o somatrio da presso esttica e da dinmica, sendo assim chamada presso total.

PRESSO ESTTICA

a presso medida na parede interna da tubulao por onde passa o fl uido. Ela chamada de esttica, porque a velocidade do fl uido viscoso que fl ui atravs da parede rugosa da tubulao zero.

P1 P2 = ( h1 h2)P1 + ( h1 x ) = P2 + ( h2 x )

10 kgf

F1 = 2cm2

A2 = 10cm2

A2 = 10cm2F1

F22

1

h1 h2

h1

P1 P2

h2

In-F

lio

/Cris

Mar

cela


Presso dinmica a presso exercida por um fl uido em movimento paralelo sua corrente.

Presso total o somatrio da presso dinmica e da presso esttica.

TIPOS DE MEDIO DE PRESSO

Presso absoluta a presso a partir do vcuo absoluto ou zero absoluto.

Presso atmosfrica a presso exercida pela camada de ar que envolve a Terra. O instrumento que mede a presso atmosfrica o Barmetro. Ao nvel do mar, quando se mede a presso, tomando como referncia a presso atmosfrica, cha-mamos esta presso de presso relativa. As presses abaixo dessa refern-cia so chamadas de vcuo ou presso negativa.

Os instrumentos que medem presso absoluta vm com a letra A aps a unidade.

MEDIDORES DE PRESSO

A medio tem por objetivo facilitar a anlise e a escolha do tipo mais adequado. Os medidores de presso, de um modo geral, podem ser divididos em trs partes:

Elemento receptor o que recebe o impacto da medio e a transforma em deslocamento ou fora.

Exemplo:Bourdon fole, diafragma

Presso absoluta = Presso relativa + Presso atmosfrica

Pd = . V2 12

Nm2


Elemento de transferncia o que amplifi ca o deslocamento ou transforma um sinal em outro (sinal eltrico e pneumtico), que mandado para a indicao.

Exemplo:Link mecnico, rel piloto, amplifi cadores operacionais.

Elemento de indicao o que recebe o sinal e o indica.

Exemplo:Ponteiro, display.

MEDIDORES

Os manmetros podem ser de dois tipos:

Manmetro de lquidos

O manmetro de coluna lquida constitudo de um tubo de vidro, com rea sec-cional uniforme, com uma escala graduada, um lquido de enchimento e suporta-dos por uma estrutura de sustentao. O valor da presso obtida pela leitura dire-ta da altura da coluna. A faixa de medio depende do peso especfi co do lquido de enchimento e da fragilidade do tubo de vidro. Normalmente, ao lquido de enchi-mento adicionado um corante. A escala graduada em mmH2O. A leitura da esca-la feita na parte baixa do menisco causada pela tenso superfi cial do vidro.

Manmetro de coluna de lquido:

Tipo tubo UTipo coluna reta

Manmetro elstico:

Tipo BourdonTipo Diafragma Tipo Cpsula

Figura 9 Tipo coluna reta

Posio de leitura

gua

In-F

lio

/Cris

Mar

cela


Manmetro tipo coluna em U

P1 P2 = (h1 + h2)

A x h1 = a x h1

Como o volume deslocado o mesmo, teremos:

como

A equao ser

P1 P2 = x h2 (1 + a)

A

O tubo U um dos medidores de presso mais simples , cons-titudo por um tubo U e fi xado so-bre uma escala graduada.

A leitura feita simplesmente medindo o deslocamento do lado de baixa presso, a partir do mes-mo nvel do lado de alta presso, tomando como referncia o zero da escala.

Como os lados da coluna em U possuem dimetros diferentes a e A. Observe na fi gura ao lado. Figura 10 Tipo coluna em U

O emprego do mercrio em instrumentos de medida proibido, uma vez que ele nocivo ao ser humano. A legislaao brasileira probe a fabricao, a comercializa-o, o uso e o armazenamento dos instrumentos de medi-o que contm mercrio, como manmetros e termme-tros. As intoxicaes por mercrio mesmo leves podem causar anemia, anorexia, depresso, dermatite, fadiga, dores de cabea, hipertenso, insnia, torpor, irritabilida-de, tremores, fraqueza, problemas de audio e viso.Intoxicaes mais graves podem gerar problemas neurol-gicos srios, como paralisias cerebrais.

VOCSABIA?

h1 = a x h2A

In-F

lio

/Pau

la M

oura

P1 P2

h


MANMETRO TIPO ELSTICO

Este tipo de instrumento de medio de presso baseia-se na Lei Hooke sobre elasticidade de materiais.

O elemento de recepo de presso elstico sofre deformao de acordo com a presso aplicada. Esta deformao medida por dispositivo mecnico, eltrico ou eletrnico.

Essa deformao provoca um deslocamento linear, convertido de forma pro-porcional a um deslocamento angular, por meio de um mecanismo especfi co.

Manmetro de tubo Bourdon

O Bourdon um tubo de seo oval que poder estar na forma de C, espiral ou helicoidal, tendo uma extremidade fechada e a outra aberta.

Observe alguns materiais utilizados na confeco do Bourdon:

Lato CobreAlumibras BerlioAo inox Liga de aoBronze fosforosoO manmetro utilizado na faixa de 25% e 75%, que a faixa precisa do ma-

nmetro.

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Figura 11 Tipos de Bourdon

Tipo Helicoidal

Tipo Espiral

Tipo C


Classifi cao do manmetro quanto a preciso

CLASSE TOLERNCIA PRECISO RESTANTE DA FAIXA

A

B

C

D

A4

A3

A2

A1

1,0%

2,0%

3,0%

4,0%

0,10%

0,25%

0,50%

1,0%

25% e 75%

25% e 75%

25% e 75%

25% e 75%

2,0%

3,0%

4,0%

5,0%

Os manmetros classe A, B, C e D so manmetros industriais e os manme-tros classe A1, A2, A3 e A4 so manmetros de preciso usados como padro pa-ra calibrar outros manmetros.

Bourdon CO tubo Bourdon que curvo e fl exvel, ligado a um acoplamento de pon-teiro, quando o fl uido penetra no bourdon, o tubo se retifi ca, diminuindo sua curvatura.

Manmetro diferencialOs manmetros so os que utilizam dois Bourdon e com um nico meca-nismo medem a diferena entre as presses. O resultado a diferena das presses aplicadas.

Figura 12 Manmetro C

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Tubo de Bourdon

Presso medida

0

1

2

Coroa/Pinho

Escala

Ponteiro


Manmetro de foleO fole consiste em uma cmara metlica, corrugada, que se deforma ao se aplicar uma presso. O fole utilizado em mdias presses.

Figura 13 Manmetro de fole

Manmetros de diafragma

O diafragma constitudo por um disco de material elstico, fi xado pela borda. Uma haste fi xada ao centro do disco est ligada a um mecanismo de indicao.

Quando uma presso aplicada, a membrana se desloca e esse deslocamento proporcional presso. O diafragma, geralmente, ondulado ou corrugado pa-ra aumentar a sua rea efetiva presso.

Figura 14 Manmetro de diafragma

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

In-F

lio

/Ste

la M

artin

s

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

Ponteiro

Setor

Link

Diafragma elstico

Pinho


Os diafragmas podem ser de materiais metlicos ou no metlicos:

MetlicosEstes diafragmas so feitos de uma chapa metlica, lisa ou enrugada, ligadas a um ponteiro por meio de uma haste. O movimento de defl exo do diafragma, causado pela presso, posiciona um ponteiro indicador ao longo de uma escala de graduao constante. So fabricados de bronze fosforoso, cobre, berlio, lato, ao inoxidvel e monel.

No metlicosSo fabricados em couro, tefl on, neoprene e polietileno. So empregados para presses baixas. Geralmente, uma mola ope-se ao movimento do diafragma, cuja defl exo diretamente proporcional presso aplicada.

Figura 15 Manmetro com contato eltrico

No use ferramenta defeituosa. Ela poder causar um acidente.

FIQUEALERTA

ACESSRIOS DO MANMETRO

Os acessrios usados nos manmetro so:

Contato eltrico SeloSifoAmortecedor de pulsao

SEN

AI-R

J


Manmetro de seloO sistema de selagem uma tcnica muito utilizada na inds-tria para isolar o fl uido de proces-so do contato direto com o ins-trumento de medio. Em mui-tos casos, necessrio isolar o fl uido de processo, que pode ser quente, slido em suspenso, corrosivo ou com possibilidade de cristalizao.

Sifo Na medio de qualquer vari-vel em linhas de vapor, geral-mente, utilizado um tubo sifo para proteger o elemento de medio da alta temperatura. O condensado fi ca acumulado no tubo sifo, impedindo que o vapor entre em contato com o elemento de medi-o. Confi ra, a seguir, alguns tipos de tubo sifo utilizados na indstria.

Figura 17 Tipos de sifo

Amortecedor de pulsao usado quando o elemento for submetido presses pulsantes. Ele deve ser protegido por um amortecedor de pulsao. Esse amortecedor pode ser uma vlvula agulha, que serve como bloqueio, possibilitando a retirada do instrumento sem parar o processo.

Jos

Mar

iano

Soa

res

Pint

o Co

elho

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

Tipo rabo de porco

Tipo cachimbo Tipo bobina

Figura 16 Manmetro de selo


TRANSMISSORES ELETRNICOS DE PRESSO

Esse transmissores so sucessores dos pneumticos. Possuem elementos de de-teco similares ao pneumtico, porm, utilizam elementos de transferncia que convertem sinal de presso, detectado em sinal eltrico, padronizado de 4 a 20mA DC. Existem vrios princpios fsicos relacionados s variaes de presso que po-dem ser usadas como elemento de transferncia. Os transmissores so emprega-dos para a medio de presso em refi narias e plataforma de petrleo.

FITA EXTENSIOMTRICA (STRAIN GAUGE)

Figura 18 Fitas extensiomtricas

Dispositivo que mede a deformao elstica sofrida pelos slidos, quando es-tes so submetidos ao esforo de trao ou compresso. Na realidade, so fi tas me-tlicas fi xadas adequadamente nas faces de um corpo a ser submetido ao esforo de trao, ou compresso, e que tm sua seo transversal e seu comprimento al-terado em virtude desse esforo imposto ao corpo.

Estas fi tas so interligadas a uma ponte de Wheatstone, ajustada e balanceada para a condio inicial, e que ao ter os valores de resistncia da fi ta alterados com a presso, sofrem o desbalanceamento proporcional variao desta presso.

In-F

lio

/Pau

la M

oura

F

L x nmero de voltas

Fio solidrio base Ponto de aplicao da fora

Lmina de base(fl exvel)

Fio solidrio base

Lmina de base


Na confeco destas fi tas so utilizados metais que possuem baixo coefi ciente de temperatura, a fi m de que exista uma relao linear entre resistncia e tenso numa faixa mais ampla.

SENSOR PIEZOELTRICO

A medio de presso que utiliza este tipo de sensor baseia-se no fato de os cristais assimtricos, submetidos a uma deformao elstica ao longo do seu eixo axial, produzirem internamente um potencial eltrico, causando um fl uxo de car-ga eltrica no circuito externo.

A quantidade eltrica produzida proporcional presso aplicada. Essa rela-o linear facilita a sua utilizao. Outro fator importante para a sua utilizao es-t no fato de se utilizar o efeito piezoeltrico de semicondutores, reduzindo assim o peso do transmissor, sem perdas de preciso.

Cristais de Turmalina, Cermica Policristalina Sinttica, Quartzo e Quartzo Cul-tivado podem ser utilizados na fabricao dos sensores piezoeltricos. O Quartzo Cultivado o mais empregado por apresentar caractersticas ideais de elasticida-de e linearidade.

DENOMINAO LIGA FAIXA DE TEMPERATURA

Constantan

Karma

479 Pt

Nichome V

Cobre-nquel

Cobre-nquel aditivado

Platina-tugstnio

Nquel-cromo

+10 -204C

At 427C

At 649C

At 649C

Figura 19 Sensor Piezoeltrico

Metais utilizados na confeco da fi ta

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Presso

CristalLquido de enchimento

Diafragma

Amplifi cador


SENSOR CAPACITIVO

Processo Processo

Figura 20 Sensor Capacitivo

No sensor capacitivo h dois diafragmas de medio que se movem entre dois diafragmas fi xos. Para que ocorra a medio, o circuito eletrnico alimentado por um sinal AC atravs de um oscilador, que modula a frequncia ou a amplitude do sinal, em funo da variao do sinal de presso. Como lquido de enchimento, po-demos usar a glicerina ou o fl or-oil.

Um transmissor de presso apresentou erro de transmisso do sinal. O dis-play do instrumento apresentava um valor e o sinal transmitido, outro valor. Aps solicitar a PT para a retirada do instrumento da rea, o referido instru-mento foi levado para a ofi cina de manuteno, pensava-se que o defeito de transmisso fosse um ajuste no sinal de intensidade de corrente do sinal transmitido. O instrumento foi desmontado, foram limpas as cmaras de al-ta e baixa presso. Depois de montado e feita a calibrao para ajustar a in-tensidade de corrente, no se obteve xito no ajuste necessrio. O fato apre-sentado foi relatado no DDS (Dilogo Dirio de Segurana), para que todos tomassem conhecimento. O transmissor foi novamente desmontado e to-dos os componentes testados, ocasio em que foi constatado que o fi ltro de fonte apresentava baixa de isolao, o que produzia erro na transmisso do sinal. O fi ltro foi substitudo e o instrumento foi colocado para operar na rea.

CASOS E RELATOSIn

-Fl

io/P

aula

Mou

ra

Diafragma sensor

Diafragma isolador

Fluido de enchimento

Cermica

Superfcie metalizada

Vidro

Ao


CHAVE DE PRESSO (PRESSOSTATO)

Estas chaves so utilizadas como componentes de sistemas de proteo de equipamentos ou processos.

O pressostato acionado segundo um set point defi nido pelo processo, o tem-po entre a atuao e o desarme pode ser por diferencial fi xo ou diferencial ajustvel.

Os pressostatos so utilizados em intertravamento de bombas e vasos.

Os contados so NA e NF, o microinterruptor pode ser selecionado como SPDP, com um contato comum, e um NA e NF, DPDT, que composto por dois interrup-tores com dois comuns, dois NA e dois NF.

O pressostato a ser usado: diafragma, pisto ou bourdon C.

INSTRUMENTOS CONVERSORES DE SINAIS

Os instrumentos conversores de sinais podem ser do tipo corrente/presso, ten-so/presso. Esse instrumento converte um sinal de corrente (4 a 20 mA DC), ou tenso (1 a 5 VDC), em um sinal de presso (3 a 15 PSI). Estes so usados na aber-tura ou fechamento de vlvulas de processo.

3.3 TEMPERATURA

Os sensores de temperatura so utilizados nas indstrias qumica, petrleo e gs, dentre outras.

A temperatura pode ser defi nida como uma representao numrica, para o estado de agitao das partculas que formam os corpos. Quanto mais agitadas as partculas, maior a temperatura. O conceito popular de temperatura estabeleci-do em quente ou frio, mas as sensaes de temperatura podem variar muito de pessoa para pessoa. Algo quente para uma pessoa, pode ser frio para a outra.

A temperatura uma das sete grandezas do Sistema Internacional de Medi-das (SI), ao lado de massa, dimenso, tempo, corrente eltrica, intensidade lumi-nosa e quantidade de substncia.

Junto com a presso, vazo e nvel, a temperatura uma das principais vari-veis de processo. Sua medio e controle so de vital importncia, haja vista que abrange variaes fsicas e qumicas de substncias.


A temperatura o que quantifi ca a quantidade de calor. Calor no tempera-tura, calor uma forma de energia expressa em Joule e medida pela temperatura em Celsius.

A temperatura expressa o grau de calor de um corpo. Corpos com temperaturas iguais podem no ter a mesma quantidades de calor. O calor uma forma de ener-gia trmica ou termal. Quanto maior a agitao, maior ser a quantidade de energia.

Q = m x c x t

Onde:

Q = Variao na quantidade de calorm = Massa da substncia envolvida c = Calor especfi co (caractersticos das substncia)t = Variao de temperatura

A unidade de temperatura o Celsius C, mas na indstria tambm comum a escala Fahrenheit F. Outra unidade de temperatura a escala Kelvin que corres-ponde a 273,15C.

CONVERSO DE ESCALA

Acompanhe um mtodo de converso da escala Celsius e Fahrenheit.

=C F 323 9

TEMPERATURASESCALAS ABSOLUTAS

R

671,67

491,67

0

K

373,15

273,15

0

ESCALAS RELATIVA

C

100

0

273,15

F

212

32

459,67

Ponto de ebulio da gua

Ponto de fuso do gelo

Zero absoluto

Temperatura das escalas absolutas e relativas

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA

Para melhor expressar as leis da termodinmica foi criada uma escala baseada em fenmenos de mudana de estado fsico de substncias puras, que ocorrem em condies nicas de temperatura e presso.


So os chamados pontos fi xos de temperatura. Chama-se esta escala de IPTS Es-cala Prtica Internacional de Temperatura. A primeira escala prtica internacional de temperatura surgiu em 1927 e foi modifi cada em 1948 (IPTS-48). Em 1960 mais modi-fi caes foram feitas e, em 1968, uma nova Escala Prtica Internacional de Temperatu-ra foi publicada (IPTS-68). A mudana de estado de substncias puras (fuso, ebulio) normalmente desenvolvida sem alterao na temperatura. Todo calor recebido ou cedido pela substncia utilizado pelo mecanismo de mudana de estado.

Os pontos fi xos utilizados pela IPTS-68 so apresentados na tabela abaixo:

Escala prtica internacional de temperatura

ESTADO DE EQUILBRIO TEMPERATURA C

Ponto triplo o ponto em que as fases slida, lquida e gasosa encontram-se em equilbrio.

Ponto triplo do hidrognio

Ponto de ebulio do hidrognio

Ponto de ebulio do nenio

Ponto triplo do oxignio

Ponto de ebulio do oxignio

Ponto triplo da gua

Ponto de ebulio da gua

Ponto de solidifi cao do zinco

Ponto de solidifi cao da prata

Ponto de solidifi cao do ouro

259,34

252,87

246,048

218,789

182,962

0,01

100,00

419,58

916,93

1.064,43

O sensor de temperatura do tipo termoresistncia utili-zado em medies de baixa temperatura.

VOCSABIA?

Figura 21 Temperatura x presso

Fase lquida

Presso

Temperatura

Fase slida

Fase vapor

Ponto triplo

Linhas de fuso

Linha de vaporizao

Linha de sublimao

In-F

lio

/Cris

Mar

cela


A ainda atual IPTS-68 cobre uma faixa de 259,34 a 1.064,34C. baseada em pontos de fuso, ebulio e pontos triplos de certas substncias puras como, por exemplo, o ponto de fuso de alguns metais puros. Hoje, j existe a ITS-90 Esca-la Internacional de Temperatura defi nida em pontos fi xos de temperatura.

Escala internacional de prtica de temperatura

Com o desenvolvimento tecnolgico diferente em diversos pases, criou-se uma srie de normas e padronizaes, cada uma atendendo uma dada regio.

As normas internacionais mais importantes so:

PONTOS FIXOS IPTS- 68 ITS- 90

Ebulio do oxignio

Ponto triplo da gua

Solidifi cao do estanho

Solidifi cao do zinco

Solidifi cao da prata

Solidifi cao ouro

182,954C

+0,01C

+231,928C

+419,527C

+961,780C

+1.064,180C

182,962C

+0,01C

+231,968C

+419,580C

+961,930C

+1.064,430C

ISOAmericana

DINAlem

BSInglesa

UNIItaliana

JISJaponesa

Para atender s diferentes especifi caes tcnicas na rea da termometria, ca-da vez mais, somam-se esforos com o objetivo de unifi car essas normas. Para tan-

to, a Comisso Internacional Eletrotcnica IEC vem desenvolvendo um trabalho junto aos pases envolvidos nesse processo normativo, no somen-te para obter normas mais completas e aperfeio-adas, mas tambm para prover meios para a in-ternacionalizao do mercado de instrumentao relativo aos termopares.

Como um dos participantes dessa comisso, o Brasil, por meio da Associao Brasileira de Nor-mas Tcnicas-ABNT, est tambm diretamente in-teressado no desdobramento deste assunto e vem adotando tais especifi caes, como as Normas Tcnicas Brasileiras.

Figura 22 Exemplo de norma da ABNT

In-F

lio


MEDIDORES DE TEMPERATURA POR DILATAO/EXPANSO

Termmetro de dilatao de lquido

O termmetro de vidro, normalmente, usado em laboratrio. Em processos industriais utilizamos o termmetro de capela, um termmetro que tem a prote-o de uma capela metlica, enroscada na linha de processo, com medio local.

O lquido de enchimento o mercrio empregado na indstria de petrleo.

Figura 23 Termmetro de capela

LQUIDO PONTO DE SOLIDIFICAO CPONTO DE EBULIO C FAIXA DE USO C

Mercrio

lcool Etlico

Tolueno

39

115

92

+ 357

+ 78

+ 110

38 a 550

100 a 70

80 a 100

Termmetros de dilatao de lquido em recipiente de vidro

Ao retirar o sensor de temperatura do poo termo-mtrico use luva de vaqueta por causa da temperatura do processo.

FIQUEALERTA

No termmetro de mercrio pode-se elevar o limite mximo at 550C, por meio da injeo de gs inerte sob presso, evitando a vaporizao do mercrio. Por ser fr-gil, impossvel registrar a sua indicao ou transmiti-la distncia. O uso desse ter-mmetro com proteo metlica mais comum em laboratrios ou em indstrias.

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

Escala

Coluna lquida (Indicao)

Bulbo


Figura 24 Termmetros de dilatao

Termmetro de lquido com capilar metlico

Este termmetro consta de um bulbo de metal ligados a um capilar metlico e a um sensor, o lquido preenche todo o instrumento. A variao da temperatura deforma elasticamente o sensor.

Tipos de lquidos de enchimentoComo lquido de enchimento empregam-se o Mercrio, o Xileno e Tolueno, porm, eles tm alto coefi ciente de expanso.

Tabela de lquidos de enchimento de termmetros

LQUIDO FAIXA DE UTILIZAO (C)

Mercrio

Xileno

Tolueno

35 a 550

40 a + 400

80 a +100

Termmetro bimetlico

A liga do sensor bimetlico composta de Invar (64% de Ferro 36% de nquel) e lato que so ligas metlicas com ndice de dilatao diferente. A liga com maior ndice de dilatao montada na parte superior, o que faz o sensor se curvar pa-ra o lado de menor coefi ciente de dilatao. Estes termmetros so utilizados na faixa de 50C a +500C, eles tambm so encontrados na escala Fahrenheit (F).

O termomtro bimetlico pode ser usado como chave para controle, do tipo ONOFF, em ferro de passar roupa e sanduicheira.

In-F

lio

/Pau

la M

oura

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

0

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Ponteiro

Sensor volumtrico

Brao de ligao

Capilar

Bulbo

Lquido (mercrio, lcool etlico)

Setor dentado


MEDIO DE TEMPERATURA COM TERMOPAR

Um termopar consiste de dois condutores metlicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogneas. Os fi os so fundidos em sua ex-tremidade, com o nome de junta quente ou junta de medio. A outra extremi-dade dos fi os levada ao instrumento de medio de fora eletromotriz (f.e.m.), fechando um circuito eltrico por onde fl ui a corrente. O ponto no qual os fi os que formam o termopar conectam-se ao instrumento de medio chamado junta ou referncia.

O termopar gera milivolte, que convertido em valor de temperatura no indicador.

VOCSABIA?

Figura 25 Termmetro bimetlico

O aquecimento da juno de dois metais gera o aparecimento de uma f.e.m. Este princpio, conhecido por efeito Seebeck, propiciou a utilizao de termopa-res para a medio de temperatura.

Gradiente de temperatura

Instrumento indicador ou controlador

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

In-F

lio

/Pau

la M

oura

Figura 26 Termopar com indicador

Junta de medida Termopar

Cabo de extenso

Bloco de ligao Junta de referncia


Nas aplicaes prticas o termopar apresenta-se normalmente como na fi gura an-terior. O sinal de f.e.m., gerado pelo gradiente de temperatura (DT), existente entre as juntas quentes e frias, ser (de modo geral) indicado, registrado ou transmitido.

O termopar do tipo S foi construdo por Le Chatelier, no final do sculo XIX, e at hoje utilizado como padro na indstria.

VOCSABIA?

EFEITO TERMOELTRICO

formado por dois condutores diferentes A e B. Quando dois metais ou semicon-dutores similares so conectados e as junes mantidas a diferentes temperatu-ras, nesse caso, quatro fenmenos ocorrem simultaneamente:

A aplicao cientfi ca e tecnolgica dos efeitos termoeltricos muito impor-tante e a sua utilizao, no futuro, cada vez mais promissora. Os estudos das pro-priedades termoeltricas dos semicondutores e dos metais levam, na prtica, aplicao dos processos de medies na gerao eltrica (bateria solar) e na pro-duo de calor e frio. O controle de temperatura feito por pares termoeltricos uma das importantes aplicaes do Efeito Seebeck.

Atualmente, busca-se o aproveitamento industrial do Efeito Peltier em grande escala, para a obteno de calor ou frio no processo de climatizao ambiente.

Efeito termoeltrico de Seebeck

O fenmeno da termoeletricidade foi descoberto, em 1821, por T.J. Seebeck, quando ele notou que em um circuito fechado, ocorre uma circulao de cor-rente, enquanto existir uma diferena de temperatura (DT) entre as suas junes. Denominamos: junta de medio de (Tm) e, a outra, junta de referncia de (Tr). A existncia de uma f.e.m. trmica AB, no circuito, conhecida como Efeito See-beck. Quando a temperatura da junta de referncia mantida constante, verifi -ca-se que a f.e.m. trmica uma funo da temperatura (Tm) da juno de teste. Este fato permite utilizar um par termoeltrico como um termmetro.

Efeito SeebeckEfeito PeltierEfeito ThomsonEfeito Volta In-Fl

io/P

aula

Mou

ra


O Efeito Seebeck se produz pelo fato de que os eltrons livres de um metal di-ferem de um condutor para o outro e dependem da temperatura. Quando dois condutores diferentes so conectados para formar duas junes e estas so man-tidas com diferentes temperaturas a difuso dos eltrons, nas junes, produz-se a ritmos diferentes.

Efeito termoeltrico de Peltier

Em 1834, Peltier descobriu que com um par termoeltrico, com ambas as jun-es na mesma temperatura, e, mediante uma bateria exterior, seria possvel pro-duzir uma corrente no termopar, nesse caso, as temperaturas das junes variam em uma quantidade no inteiramente devida ao efeito Joule. Esta variao adicio-nal de temperatura o Efeito Peltier. Este efeito produzido tanto pela corrente proporcionada por uma bateria exterior, quanto pelo prprio par termoeltrico.

A (+)

Tm Tr

B ()

Figura 27 Efeito Seebeck

Figura 28 Efeito Peltier

O coefi ciente Peltier depende da temperatura e dos metais que formam uma juno, sendo independente da temperatura da outra juno. O calor Peltier re-versvel. Quando se inverte o sentido da corrente, permanecendo constante o seu valor, o calor Peltier o mesmo, porm, em sentido oposto.

Efeito termoeltrico de Thomson

Em 1854, Thomson concluiu, por meio das Leis da Termodinmica, que a con-duo de calor, ao longo dos fi os metlicos de um par termoeltrico, que no trans-porta corrente, origina uma distribuio uniforme de temperatura em cada fi o.

O Efeito Thomson depende do metal de que feito o fi o e da temperatura m-dia da pequena regio considerada. Em certos metais, h absoro de calor quando uma corrente eltrica fl ui, da parte fria para a parte quente do metal; e h gerao

A (+)

T T T + T

B ()

In-F

lio

/Cris

Mar

cela

In-F

lio

/Cris

Mar

cela


de calor quando se inverte o sentido da corrente. Em outros metais ocorre o oposto deste efeito, isto , h liberao de calor quando uma corrente eltrica fl ui da parte quente para a parte fria do metal. Conclui-se que, com a circulao de corrente, ao longo de um fi o condutor, a distribuio de temperatura neste condutor ser modi-fi cada, tanto pelo calor dissipado por efeito Joule, como pelo Efeito Thomson.

Efeito termoeltrico de Volta

A experincia de Peltier pode ser explicada por meio do Efeito Volta, cujo enunciado :

Em outras palavras, a f.e.m. medida depende, nica e exclusivamente, da com-posio qumica dos dois metais e das temperaturas existentes nas junes.

Essa diferena de potencial depende da temperatura e no pode ser medida diretamente.

Lei termoeltrica

Da descoberta dos efeitos termoeltricos partiu-se, por meio da aplicao dos princpios da termodinmica, enunciao das trs leis que constituem a base da teoria termoeltrica, nas medies de temperatura com termopares. Portanto, com estes sensores fundamentados nesses efeitos e nessas leis, podemos compreen-der todos os fenmenos que ocorrem na medida de temperatura.

Lei do circuito homogneo

Quando dois metais esto em contato em equilbrio trmico e eltrico, existe entre eles uma diferena de potencial que pode ser da ordem de Volts.

A fora de eletromotriz (f.e.m.) termal, desenvolvida em um circuito termoeltrico de dois metais diferentes, com suas junes s temperaturas T1 e T2, independente do gradiente de temperatura e de sua distribuio ao longo dos fi os.


Figura 29 Lei dos circuitos monogneo

A (+)

T1 T1

T3

T4

T2 T2

B ()

f.e.m. = E f.e.m. = E

A (+)

B ()

Um exemplo de aplicao prtica desta lei que podemos ter uma grande varia-o de temperatura, em um ponto qualquer, ao longo dos fi os dos termopares. Es-ta variao no infl uir na f.e.m. produzida pela diferena de temperatura entre as juntas. Portanto, podem-se fazer medidas de temperatura em pontos bem defi ni-dos com os termopares. O importante a diferena de temperatura entre as juntas.

Lei dos metais intermedirios

A soma algbrica das f.e.m. termais em um circuito composto de um nmero qualquer de metais diferentes zero se todo o circuito estiver mesma temperatura.

Deduz-se da que, em um circuito termoeltrico, composto de dois metais di-ferentes, a f.e.m. produzida no ser alterada, ao inserirmos, em qualquer ponto do circuito, um metal genrico, desde que as novas junes sejam mantidas tem-peraturas iguais.

Figura 30 Leis dos metais intermedirios

TIPOS E CARACTERSTICAS DOS TERMOPARES

Existem vrias combinaes de dois metais condutores operando como termo-pares. As combinaes dos fi os devem possuir uma relao razoavelmente linear en-tre temperatur

metrologia e instrumentação.pdf

Documents