Trabalho

Sensores

SITUAÇÃO PROBLEMA:

Uma peça de grande porte, fabricada em aço carbono de baixa liga, é colocada em um forno de tratamento térmico para alívio de tensões de solda. Até atingir a temperatura de 300 º C, a taxa de aquecimento do forno não necessita ser controlada. Após essa temperatura ser atingida, a taxa de aquecimento é de 200 º C por hora. Ao atingir a temperatura de tratamento térmico, que é de 700ºC, a peça permanece nessa temperatura por 30 minutos e inicia, então, a operação de resfriamento segundo as mesmas taxas de variação da operação de aquecimento. O processo requer uma tolerância de 10% na leitura das temperaturas. A esse respeito, considere os seguintes sensores:

• Termopar tipo J, faixa de operação de 0o C a 750º C, erro 2%

• Termopar tipo K, faixa de operação de 0o C a 1.250º C, erro 2%

• Sensor ótico infravermelho tipo 1, faixa de operação de 300º C a 2.000o C, erro 2%

• Sensor ótico infravermelho tipo 2, faixa de operação de 500º C a 2.500º C, erro 2%

QUESTÃO PARA TODOS:

1. Descreva qual(is) sensores atende(m) à necessidade do processo?

R.: O Sensor que atende à necessidade deste processo é o Termopar tipo K, faixa de operação de 0o C a 1.250º C, erro 2%.

2. Explique e justifique a sua resposta usando as informações apresentadas.

R.: Sensores termopares são dispositivos elétricos com larga aplicação para medição de temperatura. São baratos, podem medir uma vasta gama de temperaturas e podem ser substituídos sem introduzir erros relevantes. A sua maior limitação é a exatidão, uma vez que erros inferiores a 1 °C são difíceis de obter.

O tipo K é um termopar de uso genérico, tem um baixo custo e devido à sua popularidade estão disponíveis em diversas sondas. Cobrem temperaturas entre os -200 e os 1200 °C, tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/°C.

Um termopar são dois fios de metais diferentes que são eletricamente ligados numa extremidade (junção de medição) e termicamente ligados na outra extremidade (junção de referência). Isso é mostrado na figura abaixo:

O seu funcionamento é baseado no princípio de que os gradientes de temperatura (quantidade física que descreve a direção e a taxa de mudança de temperatura em uma área em particular), nos condutores elétricos geram tensões na região do gradiente. Diferentes condutores gerarão diferentes tensões para o mesmo gradiente de temperatura.

Assim, uma pequena tensão, igual à diferença entre as tensões geradas pelo gradiente térmico em cada um dos fios (V=VA–VB), podem ser medidas na junção de referência. Observa-se que esta tensão é produzida pelo gradiente de temperatura ao longo dos fios e não pela própria junção. Desde que os condutores sejam uniformes ao longo dos seus comprimentos, então a tensão de saída apenas é afetada pela diferença de temperatura entre a junção de medição (quente) e a de referência (fria), e não pela distribuição de temperatura ao longo do condutor entre elas.

As composições dos Termopares e intervalos de temperaturas de operação, de acordo com a norma NBS, mostram-se na tabela abaixo.

Portanto, O sensor que atende as necessidades do referido processo em questão é o Termopar tipo K, cuja faixa de operação de 0° C. à 1.250° C, com erro de 2%.

7. Descreva o principio de funcionamento do sensor ótico infravermelho, sendo utilizado para medição de temperatura.

Os sensores de temperaturas são necessários no controle de temperatura em processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas, destilação fracionada), produção de bebidas, derivados de petróleo, usinas nucleares e aquecedores, refrigeradores domésticos e várias outras aplicações.

O princípio de funcionamento do sensor óptico baseia-se na existência de um emissor e um receptor. A luz gerada pelo emissor deve atingir o receptor com intensidade suficiente para fazer com que o sensor comute sua saída.

Esses sensores funcionam baseado num feixe luminoso, em geral infravermelho e que pode ser polarizado (ou não), gerado por um dispositivo emissor e captado por outro dispositivo receptor. A presença do objeto no caminho do raio infravermelho possibilita (ou impede), dependendo do tipo de sensor, a recepção deste por parte do receptor. Assim, o controlador monitora se o objeto se encontra (ou não) presente no caminho da luz.

O termômetro que mede a temperatura usando-se de um dispositivo infravermelho, são chamados de pirômetros.

Um pirômetro (também denominado de pirômetro óptico) é um dispositivo que mede temperatura sem contato com o corpo ou meio do qual se pretende conhecer a temperatura. Geralmente este termo é aplicado a instrumentos que medem temperaturas superiores a 600 graus célsius. Uma utilização típica é a medição da temperatura de metais incandescentes em fundições.

O mais comum é o de absorção-emissão, que é utilizado para determinar a temperatura de gases através da medição da radiação emitida por uma fonte de referência, antes e depois da radiação