A temperatura e os dias de hoje

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A temperatura e os dias de hoje

  1. 1. 1 A Temperatura e os dias de hoje Com a criação das diversas escalas, houve a necessidade da definição das curvas dos vários sensores e de seus pontos de calibração. Isto foi alcançado nas diversas reuniões desde 1889 até hoje onde finalmente chegamos ao ITS-90 (International Temperature Scale), mas esta é uma longa historia. Atualmente as escalas mais utilizadas são Celsius e Fahrenheit. Kevin e Rankine são mais utilizadas por cientistas e engenheiros. Quanto as outras escalas, elas acabaram sendo esquecidas. Figura 1 – Comparação das escalas de temperatura Várias normas e padrões dependendo do país e região são utilizadas na medição de temperatura: ANSI(EUA), DIN (Alemanha), JIS (Japão), BS (Inglaterra), etc. Nesta evolução da medição de temperatura, os Transmissores de Temperatura são muito importantes na área de automação e controle de processos. Em conjunto com uma diversidade de sensores contribuem para a melhoria contínua dos processos e qualidade final dos produtos. Veremos a seguir mais alguns detalhes deste importante equipamento. O mercado e os transmissores de temperatura inteligentes Segundo a ARC (Advisory Group study) o mercado de transmissores de temperatura em 2007 foi de U$281 milhões e estima-se para 2010 algo em torno de U$300 milhões e em 2012, U$386 milhões.
  2. 2. 2 Analisando o mercado, podemos observar 3 linhas de transmissores de temperatura associados com a aplicação e custo. Um transmissor inteligente combina a tecnologia do sensor mais sua eletrônica.  Transmissores à prova de explosão e à prova de tempo Normalmente utilizados em aplicações críticas, com alta e média performance, possuem carcaça com duplo compartimento, separando eletrônica e sensores, dando robustez, segurança e confiabilidade, possuem indicação local, sensor matching (Callendar Van Dusen), autodiagnose, comunicação digital, ajuste local e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, diferencial, sensor backup, etc. Exemplo: TT301, TT302 , TT303 da SMAR.  Transmissores para painel, montagem em trilho DIN Sua principal aplicação é monitoração, permitindo fácil instalação, inúmeras opções em ambientes fechados e conexões com sensores, alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando segurança e confiabilidade, possuem auto-diagnose, sensor matching (Callendar Van Dusen), comunicação digital e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média, diferencial, etc. Exemplo: TT411 da SMAR.  Transmissores para montagem em cabeçote (poço) Sua principal aplicação é a montagem em cabeçotes, permitindo fácil instalação e conexões com sensores, alta flexibilidade de instalação e manutenção, dando segurança e confiabilidade, possuem auto-diagnose, sensor matching (Callendar Van Dusen), comunicação digital e são utilizados com os mais diversos sensores em medições simples, dupla, máxima, mínima, média, diferencial, etc. Exemplo:TT421 da SMAR. Em termos de protocolos, como com qualquer outro equipamento de campo, o predomínio no mercado é por protocolos abertos, como HART, Foundation Fieldbus e Profibus PA. Exemplos de Transmissores HART (4-20mA) Vejamos a figura 2, onde temos o diagrama de blocos do transmissor de temperatura HART TT301 da SMAR.
  3. 3. 3 Figura 2 – Diagrama de blocos do transmissor TT301 Este transmissor possui as seguintes características:  Entrada Universal com ampla escolha de sensores: RTDs padrões, Termopares padrões, ohm, mV e Sensor Especial  Medição Simples ou Diferencial: 2 , 3 ou 4 fios e sensor backup  Isolado  Compensação de junta fria  Compensação de resistência de linha  Linerarização  0.02% de precisão básica  4-20mA + Protocolo HART  Re-range  Bloco PID e Gerador de SetPoint  Autodiagnósticos  Detecção de Burn-out  Fácil upgrade para Foundation Fieldbus e Profibus PA  Display (permite 4 posições de montagem)  Montagem em campo  À prova de explosão e tempo  Intrinsecamente Seguro  Alta Imunidade a EMI e RF  Robusto  Ajuste local simples e completo  Corrente de saída de acordo com a NAMUR-NE43  Proteção de escrita  Verdadeira carcaça com duplo compartimento  Co-processador matemático de alta performance
  4. 4. 4 Benefícios:  Baixo custo com manutenção  Auto diagnóstico remoto  Somente um modelo de sobressalente para estoque: um único transmissor para qualquer aplicação e ampla faixa e tipo de sensores  Baixo custo de instalação  Configuração remota ou local e fácil calibração (re-range)  Flexibilidade, um único transmissor para qualquer aplicação e ampla faixa e tipo de sensores  Redução dos custos de produção  Redução do tempo de paradas (process downtime)  Melhor uniformidade da produção  Redução da variabilidade dos processos: economia de matéria-prima e melhor qualidade final do produto devido a alta exatidão e estabilidade. A figura 3 mostra o diagrama de blocos dos transmissores de temperatura HART, TT411 e TT421. Figura 3 – Diagrama de blocos do transmissor TT411 e TT421 Estes transmissores possuem as mesmas características básicas do TT301. Veja detalhes e benefícios nas figuras 4 e 5.
  5. 5. 5 Figura 4 – TT411 montagem em trilho DIN Figura 5 – TT421 montagem em cabeçote
  6. 6. 6 Novidades em medições de Temperatura Sensore Óticos São ainda pouco difundidos mas vejamos abaixo alguns marcos da evolução da fibra ótica:  Foi inventada em 1952 pelo físico indiano Narinder Singh Kanpany.  1970: Corning Glass produziu alguns metros de fibra ótica com perdas de 20 db/km.  1973: Um link telefônico de fibras óticas foi instalado no EUA.  1976: Bell Laboratories instalou um link telefônico em Atlanta de 1 km e provou ser praticamente possível a fibra ótica para telefonia.  1978: Começa em vários pontos do mundo a fabricação de fibras óticas com perdas menores do que 1,5 dB/km.  1988: Primeiro cabo submarino de fibras óticas mergulhou no oceano e deu início à super-estrada da informação.  2004: A fibra ótica movimenta cerca de 40 bilhões de dólares anuais.  2007: Fibra óptica brasileira faz 30 anos e o mercado americano de sensores com fibra ótica movimentou 237 milhões de dólares  2014: perspectiva de movimento de 1,6 bilhões de dólares no mercado americano de sensores com fibra ótica A sensitividade dos sensores a fibra, ou seja, o distúrbio menos intenso que pode ser medido, pode depender de:  Variações infinitesimais em algum parâmetro de caracterização da fibra usada, quando a fibra é o próprio elemento sensor;  Mudanças nas propriedades da luz usada, quando a Fibra é o canal através do qual a luz vai e volta do local sob teste. Os sensores a Fibras Óticas são compactos e apresentam sensitividades comparáveis ao similares convencionais.Existem muitos sensores comerciais feitos com Fibras Óticas, para medição de temperatura, pressão, rotação, sinais acústicos, corrente, fluxo, etc. Hoje um tipo com várias aplicações é o sensor de temperatura com tecnologia baseada em Redes de Bragg.
  7. 7. 7 Figura 6– Redes de Braag As redes de Bragg são elementos simples, confinados ao núcleo da fibra ótica e com elevado potencial de produção em massa. A possibilidade de fabricar redes de Bragg diretamente no núcleo das fibras óticas por processos fotolíticos, sem afetar a integridade física e as características óticas das fibras, veio a ter seu destaque, na última década, um dos mais férteis campos da investigação científica na área da opto-eletrônica. A natureza ressonante da resposta espectral dos sensores de Bragg é especialmente atraente para aplicações de multiplexação do comprimento de onda. Estas características podem ser convenientemente exploradas numa única fibra ótica contendo diversos elementos sensores com ressonâncias de Bragg distintas. Deste modo, é possível associar cada sensor a uma determinada posição ao longo da fibra, constituindo em conjunto um sensor quase-distribuído de deformação ou temperatura. A auto- referenciação e a capacidade de multiplexação têm sido apontadas como as principais vantagens associadas aos sensores de Bragg, sustentando um enorme potencial de desenvolvimento tecnológico. As redes de Bragg são formadas por uma modulação periódica do índice de refração do núcleo da fibra ótica. O valor máximo de reflexão dessa microestrutura ocorre quando a constante de propagação do modo guiado no núcleo se encontra em ressonância com a modulação espacial do índice, com período L, estabelecendo a conhecida condição de Bragg, vide figura 6. A figura 6 lustra a ação de uma rede de Bragg sobre a luz propagada no núcleo da fibra ótica.
  8. 8. 8 As redes de Bragg, como parte integrante da fibra ótica, são sensíveis à aplicação de grandezas físicas, na mesma medida que a própria matriz de sílica. As propriedades espectrais das redes de Bragg dependem de grandezas como a temperatura e a tensão mecânica ou seja, a aplicação de qualquer grandeza que provoque uma alteração do índice efetivo ou do período, induz um desvio no comprimento de onda ressonante. O princípio básico de operação dos sensores de Bragg baseia-se então, na medição dos desvios em comprimento de onda induzidos na condição de ressonância por variação de temperatura, de deformação mecânica, de pressão ou de campos magnéticos. No entanto, dada a importância prática atribuída aos sensores de temperatura e de deformação, a maioria das demonstrações com base nos sensores de Bragg têm sido centradas nessas aplicações. A sensibilidade à temperatura dos sensores de Bragg resulta da expansão térmica da matriz sílica e da dependência do índice de refração com a temperatura. O grande atrativo para o uso das redes de Bragg como sensores se deve ao fato da informação estar contida no espectro, significando uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada e de alta exatidão.Estes sensores são muito utilizados em medições de temperatura no fundo do poço. Conclusão Vimos através deste artigo a importância da medição de temperatura na automação e controle de processos, um pouco da história da medição de temperatura e dos avanços tecnológicos dos transmissores de temperatura, assim como as três tendências de transmissores, suas aplicações e benefícios.Vimos também o sensor de temperatura utilizando a rede de Braag que deve trazer novidades no futuro nesta medição. Referências  Manuais de Operação dos Transmissores de Temperatura SMAR: TT301, TT302, TT411, TT421 e TT423  Web: www.smar.com.br e www.smarresearch.com.  Controle & Instrumentação Edição 82 - “O protocolo digital HART”, César Cassiolato.  Controle & Instrumentação Edição 93 - “Transmissores de Temperatura”, César Cassiolato.  Mecatrônica Edição 48 - “Transmissores de Temperatura”, César Cassiolato.  http://www.deetc.isel.ipl.pt/jetc05/JETC99/pdf/art_53.pdf  Pesquisas na Internet em diferentes sites sobre o tema Medição de Temperatura (Todas as ilustrações, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual).

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