Para cada uma das situações descritas a seguir, determine o tipo de sensor mais adequado para a operação proposta. Justifique suas respostas.
(c) Em um forno industrial de secagem, a temperatura deve ser monitorada para garantir que ela se mantenha dentro de uma faixa ideal para o processo. Quando a temperatura atinge um limite máximo, o sistema precisa desligar o aquecedor para evitar danos aos produtos. Quando a temperatura cair abaixo de um valor mínimo, o aquecedor deve ser ligado novamente.
(c) Em um forno industrial de secagem, a temperatura deve ser monitorada para garantir que ela se mantenha dentro de uma faixa ideal para o processo. Quando a temperatura atinge um limite máximo, o sistema precisa desligar o aquecedor para evitar danos aos produtos. Quando a temperatura cair abaixo de um valor mínimo, o aquecedor deve ser ligado novamente.
Passo 1
O enunciado diz: em um forno industrial de secagem é preciso monitorar a temperatura para que ela fique dentro de uma faixa desejada. Quando a temperatura atingir um limite máximo o aquecedor deve desligar; quando cair abaixo de um limite mínimo o aquecedor deve ligar novamente. Informações relevantes que o enunciado dá:
- Há controle ON/OFF com dois limiares: um limite máximo (
) e um limite mínimo ( ). - O sistema deve proteger o produto evitando sobretemperatura e também religar quando resfriar.
- Trata‑se de aplicação industrial (ambiente quente, possivelmente com ar em circulação e poeira/umidade).
- Espera‑se que o sensor seja confiável e adequado ao processo (robusto, estável, compatível com a faixa de temperatura do forno).
Passo 2
Critérios que vou usar para escolher o sensor (explico por que cada item importa):
- Faixa de temperatura: o sensor tem que operar com segurança na temperatura máxima do forno. Se o forno chega a temperaturas muito altas, alguns sensores não servem.
- Precisão e estabilidade: para manter a faixa ideal do processo precisamos de boa precisão e pouca deriva com o tempo.
- Tempo de resposta: quanto mais rápido o sensor acompanha a variação, menos sobrepassagem ocorre quando o aquecedor desliga.
- Robustez e proteção: o sensor ficará em atmosfera quente e possivelmente agressiva, precisa de proteção (manga metálica, invólucro).
- Compatibilidade com o sistema de controle: saída elétrica do sensor (resistiva, mV, 4–20 mA) deve poder ser lida pelo controlador/relé.
- Custo e manutenção: sensores industriais têm custos diferentes e exigem calibração periódica.
Esses critérios determinam o tipo mais apropriado para aplicação de processo com controle ON/OFF e necessidade de segurança.
Passo 3
Apresento os tipos candidatos, com explicação didática e prós/contras (para você entender como cada um funciona e por que serve ou não):
a) Termopar (princípio: efeito Seebeck)
- O que é: duas ligas metálicas diferentes unidas numa junta; uma tensão em mV aparece proporcional à diferença de temperatura entre a junta de medição e a junta de referência.
- Faixa típica: dependendo do tipo (ex.: tipo K) vai de cerca de
até . - Prós: larga faixa de temperatura, barato, robusto e rápido.
- Contras: menor precisão absoluta, precisa de compensação de junta fria, deriva com o tempo em ambientes agressivos.
- Quando é bom: fornos com temperaturas muito altas ou quando a robustez e faixa importam mais que precisão fina.
b) RTD Pt100 (princípio: variação de resistência com temperatura)
- O que é: sensor resistivo de platina; a resistência nominal é
a . A resistência cresce aproximadamente linearmente com a temperatura segundo . Para Pt100, . - Faixa típica: até cerca de
dependendo da montagem. - Prós: alta precisão e estabilidade, boa repetibilidade, resposta previsível. Pode ser ligado em 3 ou 4 fios para eliminar erro de resistência de cabo.
- Contras: mais caro que termopar, limite superior de temperatura menor que alguns termopares.
- Quando é bom: processos industriais que exigem controle de temperatura mais preciso e estável (como secagem onde a faixa é crítica).
c) Termistor (NTC/PTC)
- O que é: resistor cerâmico com grande variação de resistência; muito sensível em uma faixa estreita.
- Prós: alta sensibilidade em faixa baixa a média de temperatura.
- Contras: forte não linearidade, faixa de temperatura limitada (geralmente <
), menos robusto em ambiente industrial quente. - Quando não é ideal: para fornos industriais com necessidade de robustez e faixa maior.
d) Sensor semicondutor integrado (ex.: IC)
- Limitação de temperatura (tipicamente <
), não indicado para fornos industriais mais quentes.
e) Termostato bimetálico mecânico (para segurança)
- Atua como chave mecânica quando atinge uma temperatura; simples e confiável para desligamento de emergência.
- Não tem a precisão de um RTD/termopar, mas é excelente como dispositivo de segurança independente.
Passo 4
Escolha recomendada e justificativa técnica clara (passo a passo do raciocínio):
-
Se a faixa de temperatura do forno estiver dentro de, digamos, até aproximadamente
(valor comum em secagem industrial leve a média), o sensor mais adequado para controle contínuo é um RTD do tipo Pt100 ligado em 3 fios ou 4 fios. Justificativas: - Precisão e estabilidade: o Pt100 dá leituras mais estáveis e precisas que um termopar na faixa de processo típica, o que ajuda a manter a temperatura dentro da faixa ideal sem grandes oscilações. Isso é importante para qualidade do produto.
- Repetibilidade e facilidade de calibração: é fácil calibrar e a deriva ao longo do tempo é menor.
- Integração: RTD pode ser conectado a um transmissor que converte para 4–20 mA (padrão industrial), o que facilita comunicação com controladores remotos e reduz ruído em longos cabos.
- Cabos 3/4 fios: eliminam o erro causado pela resistência dos cabos, garantindo leitura mais correta (vou explicar como: em 3 fios medimos a queda de tensão num dos fios de compensação e subtraímos, reduzindo erro; em 4 fios medimos diretamente a resistência do sensor sem influência dos fios).
- Proteção física: RTD pode ser instalada dentro de uma manga metálica (tubo termopar/poço), protegendo contra corrosão, jatos de ar e permitindo substituir o sensor sem abrir o forno.
-
Se o forno opera a temperaturas muito altas (por exemplo acima de
ou até ), escolha um termopar apropriado (ex.: termopar tipo K ou tipo N): termos são robustos na faixa alta e mais econômicos para essa faixa, embora com precisão menor do que o Pt100.
Passo 5
Como implementar o controle ON/OFF solicitado (didático, para fazer na prova/na prática):
- Conceito de histerese: para evitar comutação rápida (chattering) do relé quando a temperatura cruza o limiar, usamos dois limiares separados:
(desliga) e (liga). A diferença é a histerese. Exemplos práticos: se a faixa desejada é a , pode-se definir e (entenda que ). - Hardware recomendado: sensor Pt100 → transmissor 4–20 mA ou entrada direta do controlador → controlador de temperatura configurado em modo ON/OFF com deadband (histerese) ajustável → saída do controlador aciona relé/contator do aquecedor.
- Detalhes práticos: colocar o sensor em posição representativa (fluxo de ar e não encostado no elemento térmico), usar estojo/poço, e balancear a histerese para evitar ciclos muito curtos que desgastam o contator.
Passo 6
Dispositivo de segurança (essencial, não pule isso):
- Além do sensor de controle, recomendo um dispositivo de segurança independente: um termostato bimetálico de alta segurança ou um segundo sensor (por exemplo um termopar) ligado a um relé de segurança. A lógica: se o controlador principal falhar ou o sensor principal der erro, o dispositivo de segurança corta alimentação do aquecedor para evitar dano aos produtos ou incêndio. Isso é requisito comum em processos industriais.
Passo 7
Resumo prático de instalação e operação (passos que você pode aplicar rápido na prova/na planta):
- Escolher Pt100 em invólucro metálico com conexão 3 fios.
- Montar em um tubo de proteção e posicionar no interior do forno em local representativo, evitando contato direto com resistência.
- Ligar Pt100 ao transmissor (se necessário) que entrega sinal 4–20 mA ao controlador.
- Configurar controlador em ON/OFF com histerese
adequada para evitar ciclos curtos. - Instalar um termostato bimetálico independente configurado como limite máximo de segurança.
- Calibrar Pt100 antes da operação e inspecionar periodicamente.
Resposta
Sensor recomendado: