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.

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 ( T_{\text{max}}) e um limite mínimo ( T_{\text{min}}).
  • 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 -200^\circ C até +1200^\circ C.
  • 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 100\\ \Omega a 0^\circ C. A resistência cresce aproximadamente linearmente com a temperatura segundo \displaystyle R(T)=R_0(1+\alpha T). Para Pt100, \alpha\approx 0,00385\\ ^\circ\!C^{-1}.
  • Faixa típica: até cerca de 500\text{–}600^\circ C 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 < 200^\circ C), 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 < 150^\circ C), 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 500\text{–}600^\circ C (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:
    1. 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.
    2. Repetibilidade e facilidade de calibração: é fácil calibrar e a deriva ao longo do tempo é menor.
    3. 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.
    4. 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).
    5. 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 600^\circ C ou até \sim1200^\circ C), 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: \,T_{\text{max}} (desliga) e \,T_{\text{min}} (liga). A diferença \Delta = T_{\text{max}}-T_{\text{min}} é a histerese. Exemplos práticos: se a faixa desejada é 80^\circ C a 85^\circ C, pode-se definir T_{\text{max}}=85^\circ C e T_{\text{min}}=80^\circ C (entenda que \Delta=5^\circ C).
  • 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):
  1. Escolher Pt100 em invólucro metálico com conexão 3 fios.
  2. Montar em um tubo de proteção e posicionar no interior do forno em local representativo, evitando contato direto com resistência.
  3. Ligar Pt100 ao transmissor (se necessário) que entrega sinal 4–20 mA ao controlador.
  4. Configurar controlador em ON/OFF com histerese \Delta adequada para evitar ciclos curtos.
  5. Instalar um termostato bimetálico independente configurado como limite máximo de segurança.
  6. Calibrar Pt100 antes da operação e inspecionar periodicamente.

Resposta

Sensor recomendado: \text{RTD Pt100 (3/4 fios) como sensor de controle principal; como proteção de segurança: termostato bimetálico independente ou termopar com relé de segurança.}çãçáéç

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