ENC: [ARTIGO TÉCNICO] Medição da Temperatura

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SMAR Firmwares Verifique todas as versões de firmwares disponíveis para os produtos SMAR. Certificados de Produtos SMAR Veja a lista completa de Certificados disponíveis para os produtos da SMAR. Biblioteca de Arquivos de Produtos SMAR Download os arquivos deDD, DTM e GSD dos produtos SMAR (protocolos HART, FOUNDATION Fieldbus e PROFIBUS PA) Sempre fornecendo Soluções Confiáveis Medição da Temperatura A temperatura é uma das variáveis mais usadas na indústria de controle de processos no seus mais diversos segmentos e ainda vale lembrar que a temperatura é uma grandeza básica para a medição e controle de vazão, densidade, etc. Comentaremos neste artigo a medição de temperatura e sua história, as principais características das tecnologias utilizadas, assim como alguns detalhes em termos do mercado e tendências com os transmissores de temperatura. É notável o avanço da Física e eletrônica nos últimos anos. Sem dúvida de todas as áreas técnicas, foram as mais marcantes em desenvolvimentos.Hoje somos incapazes de viver sem as facilidades e benefícios que estas áreas nos proporcionam em nossas rotinas diárias. Nos processos e controles industriais não é diferente, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc.E ainda, com a busca de desenvolvimentos na área de energia renovável, novos combustíveis, a nanotecnologia, existem inúmeras aplicações com a medição e controle de temperatura.   Um pouco de História A medição de temperatura é ponto de interesse da ciência há muitos anos.O corpo humano é um péssimo termômetro, pois só consegue diferenciar o que esta frio ou quente em relação à sua própria temperatura. Portanto com o passar dos tempos o homem começou a criar aparelhos que o auxiliassem nesta tarefa. Vejamos a seguir mais detalhes. Uma das primeiras tentativas de construção de uma escala de temperatura ocorreu por volta de 170 DC. Claudius Galenus of Pergamum (130-201), medico grego, teria sugerido que as sensações de "quente" e "frio" fossem medidas com base em uma escala com quatro divisões numeradas acima e abaixo de um ponto neutro. Para tal escala termométrica, atribuiu a temperatura de "quatro graus de calor" à água a fervendo, a temperatura de "quatro graus de frio" ao gelo e a temperatura "neutra" a uma mistura de quantidades iguais daquelas duas substâncias. Galen não foi um excelente medico, mas sim um excelente fisiologista. Ele escreveu vários tratados médicos, frutos de seu trabalho no tratamento dos Gladiadores romanos e das suas dissecações de animais vivos. Ele foi o primeiro medico a dar diagnósticos pela medição do pulso da pessoa.   O primeiro termômetro foi idealizado por Galileu Galilei(1564-1642). Ele consistia de um longo tubo de vidro com um bulbo preenchido com vinho. Este primeiro tipo de aparelho utilizado para a medição de temperatura foi chamado de termoscópio (instrumento que indica a temperatura através da mudança do volume).  Alguns tinham o ar do bulbo retirado antes de se colocar o liquido (podia ser água colorida no lugar do vinho), fazendo com que o liquido subisse dentro do tubo. Conforme o ar restante no tubo era aquecido ou esfriado, o liquido do tubo variava refletindo a mudança na temperatura do ar. Mais tarde seu colega Sanctorius Sanctorius acrescentou uma escala gravada no tubo para facilitar a medição da alteração da temperatura.   Como o vinho era altamente influenciado pela pressão atmosférica, em 1641 Fernando II, Grão-Duque da Toscana (1610-1670) desenvolveu o primeiro termômetro selado. Ele utilizou o álcool em seu interior e fez 50 marcas (graus) na sua haste. Este termômetro não utilizava nenhum ponto fixo para a calibração da escala. O termômetro com utilização de substancia orgânica (álcool, etc) em seu interior passou a ser conhecido como termômetro "spirit".   Robert Hook (1635-1703), curador da Sociedade Real em 1664 usou tintura vermelha no álcool. Sua escala, na qual cada grau representava um incremento do volume equivalente a 1/500 parte do volume do liquido do termômetro precisava  somente de um ponto fixo. Ele selecionou o ponto de congelamento da água. O termômetro original de Hook tornou-se padrão do Colégio Gresham e foi usado pela Sociedade Real até 1709. A primeira leitura meteorológica compreensível foi feita nesta escala.   Em 1701, Ole Christensen Rømer (1644-1710) criou o primeiro termômetro, com dois pontos de referencia. O termômetro usava vinho vermelho como indicador da temperatura. Rømer criou a escala de seu termômetro com 60 representando o ponto de ebulição da água. Rømer não sabia que o ponto de ebulição da água dependia da pressão atmosférica, fato descoberto depois por Fahrenheit. Quanto ao ponto inferior, isto é questão de debate já que partes de suas anotações foram destruídas pelo fogo. Alguns dizem que 0 representava uma mistura de água, gelo e cloreto de amônia, outros que ele usou o ponto de desgelo da água que marcou com 7.2 Rø. Mais tarde Rømer adotou por razões praticas outros pontos de referencia como a água congelada e a temperatura do sangue (temperatura do corpo humano) que ele marcou como 22.5 Rø. Apesar da criação do termômetro, Rømer é mais conhecido pelo seu trabalho com a medição da velocidade da luz.   Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) devotou a maior parte de sua vida a criação de instrumentos meteorológicos.  Em 1708, Fahrenheit visitou Rømer em Copenhague e viu seu termômetro com dois pontos de calibração. Impressionado com o termômetro, ele passou a utilizá-lo quando voltou a Alemanha. Mais tarde, não gostando do inconveniente (e das frações) de dividir os graus Rømer de modo a permitir a medição de pequenos intervalos de temperatura e ele multiplicou a escala de Rømer por 4. Isto fez com que o ponto de derretimento da água fosse 30 graus e a temperatura do copo humano 90 graus. Depois ele mudou estes valores para 32 e 96 graus respectivamente para simplificar a marcação da escala (em 64 divisões). Fahrenheit ainda adicionou mais um ponto com referencia, a temperatura de equilíbrio de uma mistura de gelo e sal, que foi definida como zero em sua escala. Infelizmente o uso de três referencias causou mais incerteza do que precisão. Após a morte de Fahrenheit, a temperatura do corpo humano foi considerada inconstante para a definição de um  ponto na escala de temperatura, então sua escala foi modificada para dar a ela novamente 2 pontos de referencia. Tudo isto resultou no desajeitado padrão numérico, com o ponto de congelamento da água definido como 32 F e o ponto de ebulição (na pressão atmosférica padrão) definido como 212 F. Fahrenheit também percebeu que o álcool não tinha precisão e repetibilidade para a medição da temperatura. Em 1714, ele adotou o mercúrio, o qual se mostrou uma excelente alternativa devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser altamente linear e não se dissolver no ar. Por outro lado ele é menos sensível a mudança de temperatura.   Em 1731, Réne Antoine Ferchault de Réamur (1683-1757) propôs uma escala diferente, calibrada em apenas um ponto com as divisões da escala baseada na expansão do fluido no termômetro. Réamur fez muitos experimentos para selecionar o fluido termometricamente adequado e estabeleceu o conhaque diluído em uma certa quantidade de água. A diluição escolhida foi uma que dava a diluição de 80 em 1000, conforme aquecido da temperatura do congelamento até a temperatura de ebulição da água (80 porque erá um numero fácil de se dividir em partes). Por causa desta seleção, as pessoas passaram a acreditar que na escala de Réamur a água fervia em 80 graus. Devido a isto, a escala de Réamur passou a ser graduada utilizando dois pontos fixos, o ponto de congelamento (0) e o ponto de ebulição da água (80).  Esta escala foi oficialmente adotada na Europa, exceto na Grã Betranha e na Escandinávia, mas com a adoção da escala centígrados pelo governo revolucionário da França em 1794 ela gradualmente perdeu popularidade e finalmente caiu em desuso no século 20.   Um termômetro com escala similar a de Réamur foi inventada em 1732 por Joseph Nicolas Delisle (1688-1768), astrônomo francês, que foi convidado para ir a Rússia por Pedro, o grande. Naquele ano ele construiu um termômetro que usava mercúrio com fluido de trabalho. Delisle escolheu sua escala usando a temperatura de ebulição da água como o ponto fixo e mediu a contração do mercúrio (com baixas temperaturas) em cem milésimos. Os termômetros antigamente tinham 2400 graduações apropriadas ao inverno em São Petersburgo onde Delisle viveu. Em 1738 Josias Weitbrecht (1702 - 1747) recalibrou o termômetro de Delisle com 0 grau como o ponto de ebulição da água e 150 graus como o ponto de congelamento da água. Este termômetro permaneceu em uso na Rússia por mais de um século.   Muitas tentativas de transformar a escala de Delisle para um intervalo de 100 graus foram feitas antes que o Suíço Anders Celsius (1701-1744) em 1742 propusesse graduar o termômetro com 100 graus como o ponto de ebulição da água e 0 como o ponto de derretimento da neve. Aparentemente desejando evitar o uso de números negativos para as temperaturas, Celsius determinou o numero 100 para o ponto de congelamento da água e 0 para o ponto de ebulição, dividindo a distancia em intervalos de 100 graus.   Em 1744 o amigo de Celsius,  Carl Linnaeus (1707-1778) inverteu a escala centígrado para atender um sentimento psicológico que quente deveria corresponder a maior temperatura. O uso da escala de Celsius no século 19 foi acelerado pela decisão das autoridades revolucionarias da França de adotar o sistema decimal para todas a quantidades mensuráveis. A escala centígrado tornou-se popular primeiro na Suíça e na Franca (onde ela coexistiu com a escalar de Réaumur) e depois na maior parte do mundo. A comissão de Pesos e Medidas, criado pela Assembléia Francesa decidiu em 1794 que o grau termométrico seria 1/100 da distancia entre o ponto do gelo e o vapor d´agua (originando a palavra centígrado). Em outubro de 1948 na IX conferencia de Pesos e Medidas o nome da unidade foi alterado para Celsius.   Em 1821 Thomas Seebeck (1770-1831), descobriu que quando dois fios de metais diferentes são unidos em duas extremidades e um dos extremos é aquecido circula uma corrente elétrica no circuito. Estava desta forma descoberto o termopar, hoje em dia o mais importante sensor de temperatura para aplicações industriais.   Sir Humphrey Davy (1778-1829) foi um brilhante cientista responsável pelo uso do gás do riso (oxido nitroso) como anestésico e por algumas descobertas como: o elemento sódio, potássio, boro, a solda por arco elétrico e a lâmpada de segurança para a mineração. Em 1821, ele descobriu também que a resistividade dos metais apresentava uma forte dependência da temperatura.   Baseado na idéia da resistividade dos metais, Sir William Siemens (1823-1883) propôs em 1861, o uso de termômetros de resistência de platina, com o qual a medição da temperatura seria feita à custa da variação da resistência elétrica de um fio de platina com a temperatura.  A escolha da platina se deu por ela não se oxidar em altas temperaturas e por ter uma variação uniforme da resistência com a temperatura em um amplo range.   Em 1848, William Thomson (1824-1907) desenvolveu uma escala termodinâmica baseada no coeficiente de expansão de um gás ideal. Está idéia se deve a descoberta de Jacques Charles sobre a variação de volumes dos gases em função da variação da temperatura, onde Charles concluira com bases em experimentos e cálculos que à temperatura de -273 ºC todos os gases teriam o volume igual a zero. Kelvin propôs outra solução: não era o volume da matéria que se anularia nessa temperatura, mas sim a energia cinética de suas moléculas. Sugeriu então que essa temperatura deveria ser considerada a mais baixa possível e chamou-a se zero absoluto. Então foi criada uma nova escala baseada na escala de grau centígrado. Esta escala absoluta foi mais tarde renomeada para Kelvin e sua unidade designada graus Kelvin (símbolo °K). Observe que a unidade de temperatura no SI é chamada de Kelvin (não graus Kelvin).   Em 1859, William John Macquorn Rankine (1820-1872) propôs outra escala de temperatura na qual especificava 0 para o zero absoluto, mas usava como base a escala graus Fahrenheit.  Devido a escala de Rankine ter o mesmo tamanho da escala de Fahrenheit, o ponto de congelamento da água (32ºF) e o ponto de ebulição da água (212ºF) correspondem respectivamente  a 491.67°Ra e 671.67°Ra. Esta escala foi mais tarde renomeada Rankine e sua unidade designada graus Rankine (símbolo °R).   Em 1887, Hugh Longbourne Callendar (1863-1930), aperfeiçoou o termômetro com resistência de platina, obtendo grande concordância de resultados entre o termômetro de platina e um termômetro de gás. Atualmente a medição de temperaturas por meio de termômetros de platina assume grande importância em numerosos processos de controle industrial   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. 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. 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   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. Figura 4 - TT411 montagem em trilho DIN   Figura 5 - TT421 montagem em cabeçote   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. 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. 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).   Disponibilidade e Competência 24h Assistência Técnica Instalação e Montagem Pré-Comissionamento e Comissionamento Testes de Malhas Start - Up Operação Assistida Revisões Metrologia Treinamento Consultoria em Projetos Plano Diretor de Automação

 

 

ENC: [ARTIGO TÉCNICO] Relés x Sensores

 

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SMAR Firmwares Verifique todas as versões de firmwares disponíveis para os produtos SMAR. Certificados de Produtos SMAR Veja a lista completa de Certificados disponíveis para os produtos da SMAR. Biblioteca de Arquivos de Produtos SMAR Download os arquivos deDD, DTM e GSD dos produtos SMAR (protocolos HART, FOUNDATION Fieldbus e PROFIBUS PA) Sempre fornecendo Soluções Confiáveis Relés x Sensores INTRODUÇÃO É notável o avanço da Física e eletrônica nos últimos anos. Sem dúvida de todas as áreas técnicas, foram as mais marcantes em desenvolvimentos.Hoje somos incapazes de viver sem as facilidades e benefícios que estas áreas nos proporcionam em nossas rotinas diárias.Nos processos e controles industriais não é diferente, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores e componentes eletrônicos, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc. Comentaremos neste artigo, dois importantes componentes na automação e controle de processos e manufatura: os Relés e os Sensores. Estes dois elementos são amplamente utilizados, com inúmeras funcionalidades e recursos.O primeiro, com características marcantes em atuações e o segundo, com características quantitativas e qualificativas, contribuindo para medições, performance e diagnósticos de forma geral. RELÉS Um relé, de forma bem simples, é um interruptor acionado eletronicamente e que se coloca em um circuito elétrico sendo capaz de interromper ou não o fluxo de corrente elétrica, de acordo com um circuito de controle. Quando o circuito de controle é alimentado, o relé fecha permitindo fluxo de corrente entre os dois pontos conectados.Ao se tirar o comando de controle, isto é a energia, abre-se o circuito. A grande maioria dos relés se utiliza de um mecanismo interessante, no qual parte da corrente elétrica que flui pelo circuito é desviada para realimentar o circuito de controle, mantendo-o fechado até que uma ação externa interrompa a corrente no circuito de controle, abrindo-o e mantendo-o neste estado até que outra ação externa aplique uma corrente ao circuito de controle. Dispositivos deste tipo são chamados bi-estáveis, pois oscilam entre dois estados que não se alteram sozinhos, onde é preciso uma ação externa para modificá-los. Para entendermos melhor e mais facilmente, vamos analisar os relés mais comuns que são dispositivos eletromecânicos (veja figura 2), onde uma bobina é enrolada em torno de um núcleo de ferro, formando um eletroimã. Nas proximidades do eletroimã é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar os contatos. Quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre esta armadura, atraindo-a, e ativando os contatos. Figura 1 - Símbolo do Relé Figura 2 - Esquema de um Relé Através de uma corrente de controle aplicada à bobina do relé, podemos abrir, fechar ou comutar os contatos de tal forma a controlar as correntes que circulam por circuitos externos(cargas). Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé, o campo magnético criado desaparece, e com isso com a ação da mola, a armadura volta a sua posição natural. A aplicação mais simples de um relé com contato simples é no controle de ligar desligar de uma carga, por exemplo, na aplicação de controlar uma bomba, ligando-a ou não, de acordo com o nível de um tanque. Observe o símbolo usado para representar este componente na figura 1.Podemos ter relés com contatos normalmente abertos, normalmente fechados e mistos. Mas há também relés eletrônicos, formados por transistores ligados entre si tão engenhosamente que basta aplicar um potencial elétrico a um terminal de controle para fechar o circuito por eles controlado.Além disso, existem os relés de estado sólido, que veremos a seguir mais detalhes. Em termos de projetos utilizando relés, existem algumas características elétricas e mecânicas que devem ser atentadas: Tensão nominal, tensão de operação e tensão máxima de trabalho Corrente nominal Resistência ôhmica Potência nominal dissipada Características dos contatos(a superfície dos contatos; a tensão e corrente máximas que os circuitos do contato podem admitir e controlar; resistência e materiais dos contatos(o cobre, a prata e o tungstênio); o número de contatos e sua disposição que vai depender das aplicações a que se destinam os relés; capacitância entre contatos,etc.) Tempo que o relé leva para fechar e/ou abrir seus contatos. Tipo de carga: AC ou DC. Lembrando que em aplicações com cargas indutivas, o tempo de abertura aumenta. Vida mecânica. Etc. A corrente que aciona o relé é denominada corrente de acionamento. Esta é a corrente necessária para se criar uma intensidade de campo magnético que atraia a armadura para perto da bobina. Uma vez vencida esta inércia, o campo magnético já não precisa ser tão intenso para mantê-la junto à bobina. A corrente que mantém o relé fechado é conhecida como corrente de manutenção.A corrente que vai circular por sua bobina é função da resistência do enrolamento, o quê pode ser calculado pela lei de Ohm, assim como a potência a ser dissipada no mesmo. A utilização de relés na prática requer alguns cuidados durante sua desativação (remoção do controle de comando), onde se tem uma tensão de polaridade oposta àquela que criou o campo magnético e que devido à característica de variações bruscas em um indutor, atinge valores altos. Este valor está relacionado à taxa de variação di/dt e com a indutância(L) da bobina (V=Ldi/dt). Se o circuito de controle de ativação do relé não for protegido pode-se ter o seu mau funcionamento ou sua total danificação. A técnica mais comumente usada é a do diodo reverso ou a do varistor em paralelo com a bobina do relé. No caso do diodo, quando ocorre a interrupção da corrente, ocorre a indução de uma alta tensão na bobina, e o diodo fica polarizado no sentido direto, servindo de caminho para a corrente, protegendo o circuito de disparo. O varistor ou VDR é utilizado empregando-se sua característica de que uma vez ultrapassada a tensão limite a ele aplicada, sua resistência diminui significativamente. Esta propriedade é usada no instante em que o relé é desenergizado e quando a corrente poderia causar problemas aos componentes de disparo. A tensão do varistor deve ser especificada em um valor maior que a tensão de disparo do relé, porém menor que a tensão máxima suportada pelo componente usado no disparo. Outro detalhe a ser observado na área de automação e controle é o tipo de montagem e os requisitos de classificação de áreas. Existem relés abertos, fechados com invólucro dos mais diversos materiais e condições de selagem que atendem áreas classificadas(áreas perigosas) e que podem estar sujeitos aos mais diversos ambientes. Fica claro aqui que o relé é um elemento de conexão e que normalmente estará relacionada a elementos finais de controle, onde se exige vários cuidados a serem observados não só em nível de especificação, mas também operacionalmente. RELÉS DE ESTADO SÓLIDO Esta classe de relés é desenvolvida com dispositivos e componentes eletrônicos baseados em semicondutores que permitem controle e fluxo de elétrons, de acordo com mudanças de níveis de energia, modificando níveis de tensão de entrada com os objetivos de se conseguir características de retificação, amplificação e chaveamento. Podemos destacar algumas características de suas aplicações: longa vida de operação; quando a aplicação envolve operação em ambiente severo (sujeira, umidade, combustão, etc.); operações silenciosas; alta velocidade de chaveamento; baixo consumo para disparo; compatível com aplicações envolvendo lógica digital e baseada em microprocessadores e controle em geral; baixa susceptibilidade a interferência eletromagnética; alto número de operações. isolação ótica. acionamentos na condição de "zero-cross"; circuitos de proteção(snubbers); modo de funcionamento por ângulo de fase, trem de pulso ou on-off. etc. Seu campo de aplicação é amplo, onde podemos citar desde integrações compatíveis com microprocessadores, sistemas de lógicas TTL e MOS, até acionamento e controle de cargas AC e DC, como motores e solenóides on/off. SENSORES Sem dúvida a utilização de sensores nas aplicações industriais é algo muito extenso e impossível de se cobrir em um artigo. Procuramos aqui, dar uma idéia geral de alguns conceitos envolvidos em sensores. Neste artigo, trataremos sensores como transdutores de entrada, embora na prática o termo sensor e transdutor muitas vezes acabam sendo usados como sinônimos. Para esclarecermos, transdutor é um dispositivo que "toma" energia de um sistema em medição convertendo-a a um sinal de saída que pode ser traduzido em sinal elétrico e que corresponde ao valor medido.Já o sensor sugere algo além de nossas percepções físicas, envolvendo exatidão, precisão, tempo de resposta, linearidade, histerese, zona morta, etc. Quando se fala em sensores, é importante se ter em mente que podemos ter domínios elétricos da informação relacionados aos mesmos: domínio analógico, onde se tem a amplitude do sinal(corrente, voltagem, potência) domínio do tempo, onde se tem relação de tempos(período ou freqüência, largura de pulso, fase) domínio digital, onde a informação é caracterizada binariamente e pode se conduzida por um trem de pulsos, ou codificação serial ou paralela, por exemplo. Existem também os domínios não-elétricos, onde, por exemplo, podemos citar os químicos. Devido à ampla variedade de sensores, normalmente os mesmos são classificados de acordo com alguns critérios: Alimentação: segundo este critério podem ser classificados em ativos, onde utilizam a alimentação derivada de uma fonte auxiliar ou passivos quando não consomem energia e a potência para a saída vem da entrada.Como exemplo de sensores podemos citar o termistor (ativo) e o termopar(passivo). Saída: segundo este critério podem ser classificados em analógicos e digitais, como por exemplo, um potenciômetro e um encoder de posição, respectivamente. Mode de operação: neste caso são classificados em termos de suas funções em modo de deflexão ou modo nulo.No primeiro caso, o valor medido gera um efeito físico de ação contrária a variável medida, como por exemplo em um acelerômetro de deflexão. No caso de modo nulo, o sensor tenta compensar a deflexão de um ponto nulo pela aplicação de um efeito conhecido que se opõe ao valor medido, como por exemplo, em um servo-acelerômetro. Normalmente, o de modo nulo é mais exato já que se pode calibrar o efeito contrário com referências de alta exatidão, porém podem ser lentos. Entrada-saída: podem ser classificados de acordo com a relação entrada-saída em sensores de primeira, segunda, terceira ou maior ordem. A ordem está relacionada com números de elementos independentes que conseguem armazenar energia e afeta a exatidão e tempo de resposta, o que são importantes quando estes sensores fazem parte de malhas de controles. Existe uma ampla variedade de sensores e suas aplicações são infinitas em automação, controles industriais e manufatura: temperatura, pressão, densidade, vazão, umidade, posição, velocidade, aceleração, força, torque, deslocamento, cor,etc. São vários os tipos de sensores: indutivos, capacitivos, ópticos, ultra-sônicos, etc. CARACTERÍSTICAS QUE DEVEM SER CONSIDERADAS EM SENSORES Na prática o que se espera de um sensor é que sua sensitividade seja somente devido à quantidade em interesse ( grandeza a ser medida) e que o sinal de saída seja inteiramente função da entrada.Porém, nenhuma medição é obtida em circunstâncias ideais e qualquer sensor sofre algum tipo de interferência e perturbações internas, como por exemplo, efeitos em temperatura, efeitos em pressões estáticas, efeitos devido a interferência magnética, etc. Outro fator a ser considerado é o comportamento estático e que afeta diretamente o comportamento dinâmico de um sensor, tais como a exatidão, precisão, sensitividade, linearidade, resolução, erros sistemáticos, randômicos e dinâmicos, velocidade de resposta, impedância de entrada, etc. Com o avanço tecnológico, várias técnicas de compensações foram desenvolvidas e hoje são empregadas, minimizando estes efeitos a níveis aceitáveis e confiáveis. RELÉ & SENSORES INTEGRADOS Devido aos avanços tecnológicos e principalmente ao desenvolvimento de redes de campo e a distribuição da inteligência no campo, hoje encontramos no mercado, relés e sensores integrados em um mesmo equipamento, minimizando custos de instalação, aumentando o endereçamento nos barramentos de campo (uma vez que um único dispositivo, possuindo um ou mais sensores e um ou mais relés, representa um único nó de rede), aumentando a flexibilidade de aplicações, facilitando integrações, etc. Podem-se achar dispositivos simples, como por exemplo, um relé para supervisão de temperatura que pode ser aplicado para avaliar temperaturas em meios sólidos, líquidos ou gasosos (Proteção de motores, monitoração de forma geral envolvendo temperatura em processos industriais e manufaturas,etc), onde a temperatura é adquirida pelo sensor, avaliada pelo relé e monitorada dentro de limites pré-configurados. O relé de saída é acionado ou desligado no valor de referência, dependendo dos ajustes nos parâmetros do dispositivo. Podemos achar relés com comunicação via PC, via protocolo Profibus DP, Asi, Foundation Fieldbus ou Modbus, como por exemplo, para proteção eletrônica e controle de motores, com capacidade de diagnósticos, etc. Existem outras famílias voltadas à segurança como por exemplo, Relé detector de chama, que utiliza sensores do tipo ionização e fotoresistor. O USO DE SENSORES E RELÉS EM FIELDBUS Agora, este artigo mostrará alguns detalhes do que há de mais novo em termos de desenvolvimento da tecnologia Foundation Fieldbus para acionamento discreto via relé de estado sólido em pequenas e médias aplicações com equipamentos de campos conectados diretamente ao barramento, o FR302 - Fieldbus Relé. O FR302 é um equipamento de controle industrial microprocessado, desenvolvido para efetuar especificamente controle lógico de variáveis discretas e que com uma ampla biblioteca de blocos funcionais Foundation Fieldbus, pode ser usado em todos os tipos de controle. A SMAR foi a primeira empresa em nível mundial a lançar no mercado um equipamento que diretamente conectado ao barramento fieldbus permite acionamento discreto via relés de estado sólido. Esta facilidade de desenvolvimento se deve em sua grande maioria às inovações tecnológicas dos microprocessadores e microcontroladores. O FR302 permite uma fácil integração entre o Fieldbus e saídas discretas convencionais. Dispositivos discretos como tais como, válvulas "on/off", bombas, esteiras e atuadores elétricos, variadores de velocidade,etc, podem ser integrados ao sistema FoundationT via barramento H1, usando o FR302. Ele pode estar distribuído ao campo onde se tem os dispositivos discretos convencionais, sem a necessidade de cabeamento entre estes e a sala de controle. O FR302 permite que entradas e saídas discretas e analógicas convencionais possam estar disponíveis à fácil configuração de estratégias de controle, usando o conceito de Blocos Funcionais FoundationT e tornando o sistema homogêneo de tal forma a fazer com que estes dispositivos possam parecer como simples diapositivos em um barramento fieldbus. Possui vários blocos funcionais como PID, PID STEP, ARITH, AALM, ISEL,TIMER, FFET, DO, MDO, etc. A figura 3 mostra o diagrama funcional do FR302. E a figura 4 mostra a conexão física das saídas.   Figura 3 - Diagrama funcional do FR302 Características . 3 opções de saídas:        2 Contatos em relés de estado sólido Normalmente Fechadas(NF),        2 Contatos em relés de estado sólido Normalmente Abertos(NA),        1 NF e 1 NO . Saída: 2 contatos em relés de estado sólido: NF: Máxima Tensão de chaveamento: 350 Vpico        Máxima Corrente de chaveamento(AC): 100 mA        Máxima Corrente de chaveamento(DC): 165 mA NA: Máxima Tensão de chaveamento: 400 Vpico        Máxima Corrente de chaveamento(AC): 150 mA        Máxima Corrente de chaveamento(DC): 250 mA Funcionalidade de Mestre Backup Blocos Funcionais Simples e Avançados com instanciação Fácil atualização de firmware Salvamento de dados durante shutdown Alimentação: Via H1: 9-32Vdc Consumo de corrente quiescente: 17mA   Figura 4 - Conexão Física das Saídas Conexão Física com o Bloco Funcional DO Através de dois blocos funcionais Digital Output (DO), pode-se comandar duas cargas DCs ou ACs. Figura 5 - Conexão Física com DOs Conexão Física com o Bloco Funcional PID_STEP Através de um blocos funcional PID SETP, pode-se ter uma aplicação interessante com atuadores elétricos. Qualquer atuador elétrico, incluindo a série SMAR AD/AR/AL se torna um Atuador Fieldbus, fazendo do FR302, um equipamento ideal em atualizações e reinstrumentação de plantas. O bloco PID Step é ideal nestes casos, onde se pode modular a válvula sem a necessidade da posição real (feedback). Figura 6 - Conexão Física com o PID STEP Exemplo de Aplicação: Controle de Nível Suponha a situação, onde em uma rede fieldbus tenhamos um controle de nível onde um transmissor de nível FR302 está medindo o nível de um tanque.O sinal do nível é disponibilizado via bloco de Entrada Analógica (AI) a um bloco de Alarme Analógico (AALM) instanciado no FR302. Ao se atingir um valor pré-configurado de nível, através de um bloco de saída discreta (DO), pode-se desligar a bomba que alimenta o tanque e também ligá-la assim que o nível é inferior ao limite configurado.Veja a figura 7. Figura 7 - Aplicação do FR302 em controle de nível Veremos a seguir o detalhamento de um sensor de pressão do tipo capacitivo, utilizado na série de transmissores de pressão da SMAR, incluindo o FR302, citado na aplicação do Fieldbus Relé. O sensor de pressão utilizado pelos transmissores de pressão SMAR, é do tipo capacitivo (célula capacitiva), mostrado esquematicamente na Figura 8. Figura 8 - Sensor Capacitivo Onde: P1 e P2 são pressões aplicadas nas câmaras H e L. CH = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P1 e o diafragma sensor. CL = capacitância medida entre a placa fixa do lado de P2 e o diafragma sensor. d = distância entre as placas fixas de CH e CL. = deflexão sofrida pelo diafragma sensor devido à aplicação da pressão diferencial DP = P1 - P2. Sabe-se que a capacitância de um capacitor de placas planas e paralelas pode ser expressa em função da área (A) das placas e da distância (d) que as separa como: Onde, = constante dielétrica do meio existente entre as placas do capacitor. Se considerar CH e CL como capacitâncias de placas planas de mesma área e paralelas, quando P1 > P2 tem-se: Por outro lado, se a pressão diferencial (DP) aplicada à célula capacitiva, não defletir o diafragma sensor além de d/4, podemos admitir proporcional a , ou seja: Se desenvolvermos a expressão (CL-CH) / (CL+CH) obteremos: como a distância (d) entre as placas fixas de CH e CL é constante, percebe-se que a expressão (CL-CH) / (CL+CH) é proporcional a e, portanto, à pressão diferencial que se deseja medir. Assim, conclui-se que a célula capacitiva é um sensor de pressão constituído por dois capacitores de capacitâncias variáveis, conforme a pressão diferencial aplicada. Estes capacitores fazem parte de um circuito oscilador que tem sua freqüência dependente da pressão diferencial aplicada. Esta freqüência é medida pela CPU do transmissor de pressão em alta resolução, alta exatidão e velocidade de processamento. Esta freqüência será inversamente proporcional à pressão aplicada. A figura 9 mostra o diagrama de hardware do LD302 e a figura 10, os diversos modelos de sensores conforme várias aplicações. Figura 9 - LD302 - Diagrama de hardware Figura 10 - Modelos de Sensores CONCLUSÃO Vimos através deste artigo a importância dos relés e sensores, aliados aos avanços tecnológicos dos microprocessadores na automação e controle de processos, assim como detalhes de um equipamento microprocessado para acionamento discreto e de um sensor de pressão capacitivo.   REFERÊNCIAS: Manuais de Operação do FR302 e do LD302 www.smar.com.br Artigos técnicos, César Cassiolato Saber Eletrônica Edição 449, Relés x Sensores - César Cassiolato e Edson de Oliveira Emboaba Controle & Instrumentação Edição 92, Relés x Sensores, César Cassiolato e Edson de Oliveira Emboaba Disponibilidade e Competência 24h Assistência Técnica Instalação e Montagem Pré-Comissionamento e Comissionamento Testes de Malhas Start - Up Operação Assistida Revisões Metrologia Treinamento Consultoria em Projetos Plano Diretor de Automação