SENSORES FÍSICOS E QUÍMICOS PARA MEIOS E GASES
Propriedades gerais de um sensor- Ótima exatidão de medida- Durabilidade- Facilidade de recalibração e recondicionamento- Sensibilidade e resolução- Seletividade- Resposta rápida- Estabilidade por longo período de trabalho
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Requisitos adicionais para sensores de bioprocessos
- Higiene- Esterilização- Assepsia- Material de construção- Inserção e remoção
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-Operação contínua
-Insensibilidade a interferentes e outros fatores ambientais
-Aceitabilidade pelo usuário
-Segurança de uso
Sensores de parâmetros físicos
TemperaturaÉ definida como o grau de agitação térmica das
moléculas da matéria; é uma propriedade intensiva
Pirometria: medição de altas temperaturas, na faixa em que os efeitos da radiação térmica passam a se manifestar
Criometria: medição de baixas temperaturas, normalmente abaixo de zero
Termometria: termo abrangente, que inclui os dois casos acima
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Transferência de calor:Condução (energia passa de uma molécula a
outra; ocorre em sólidos)Convecção (energia é “transportada” pelas
moléculas, ocorre em líquidos e gases)Irradiação (energia é “transportada” por
ondas eletromagnéticas)
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Unidades de temperaturaCelcius (oC); Kelvin (K); Fahrenheit (oF)Rankine (oR); Reaumür (oR)
Escalas
ReferênciaCelcius
(oC)Kelvin
(K)Fahrenheit
(oF)Reaumur
(oR)Rankine
(oRa)
Ebuliçãoda água
100 373,15 212 80 671,67
Fusão da água
0 273,15 32 0 491,67
Zero absoluto
- 273,15 0 - 459,67 - 218,52 0
Conversão
oC oF – 32 K – 273,15 oRa – 491,675 9 5 9
= = =
Tipos de termômetros
1. Líquido 1.1. Líquido em vidro Princípio: expansão volumétrica do líquido
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Líquido Ponto de
fusão
Ponto de
Ebulição
Faixa de Uso
Mercúrio -39 ºC +357 -38 / +550
Álcool Etílico
-115 +78 -100 / +70
Tolueno -92 +110 -80 / +100
Termômetros de líquido (expansão em tubo de vidro)7
1.2. Líquido em metalPrincípio: expansão em recipiente metálico
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Características- Tubo de Bourbon- Grande tempo de resposta- Não recomendável para controle
9Termômetro de líquido (expansão em tubo metálico)
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Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.
Mecanismo que emprega tubo de Bourdon.11
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2. Pressão de gásPrincípio: expansão em recipiente metálico
Leva em conta o fato de que a variação de pressão é linearmente dependente da temperatura, a volume constante.
Gás mais comum: N2
Faixa de medição: - 100 a 600 oCSuporta pressões da ordem de 50 atm
Termômetro de gás13
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3. Sólidos3.1. Lâmina bimetálicaPrincípio: dilatação de metais em função da temp.
Principais ligas: Fe + Ni e latãoFaixa de medição: - 50 a 800 oC
15Estrutura de um termômetro de lâmina bimetálica.
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3.2. TermoparesPrincípio: efeito termoelétrico
A tensão termoelétrica que ocorre no ponto de compensação depende do material dos fios termoelétricos e da diferença da temperatura entre o ponto de medição e o ponto de compensação.
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Tipos de termopares
T, J, E, K, S, R, BFaixa de medição: - 200 a 1600 oC
Termopares especiaisFaixa de medição: 1600 a 2750 oCDiferem em função dos metais da liga e da proporção entre eles
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3.3. TermistoresPrincípio: variação da resistência em função da
temperatura
V = R.i => R = V/i => i = V/R
Resitência ôhmica: seu valor numérico independe da tensão aplicada
Resitência não ôhmica: seu valor numérico depende da tensão aplicada
Semicondutores: materiais que exibem propriedades de resistência elétrica “a meio caminho” entre os bons condutores e os bons isolantes.Apresentam grande coeficiente de variação da resistência em função da temperatura.
Portanto, para uma mesma tensão aplicada (V), a variação da resistência (R) resultará uma variação da corrente (i).
i = V/R
Tipos de termistores
NTC: “Negative Temperature Coefficient”
Sua resistência diminui acentuadamente com o aumento da temperatura.São constituídos de óxidos metálicos de níquel, cobalto ou magnésio ou de sulfeto de ferro.A curva que define a variação da resistência em função da temperatura tem comportamento exponencial.
Curvas características de termistores NTC com faixas de medição de temperatura distintas.
PTC: “Positive Temperature Coefficient”
Sua resistência aumenta com o aumento da temperatura.Somente a partir de uma determinada temperatura exibe uma variação ôhmica com a variação da temperatura.É mais sensível que o termistor NTC.São constituídos de material cerâmico à base de titanato de bário.
Termistor tipo PTC.
Diferentes estruturas de termistores.
Perfil característico da variação da resistência em função da temperatura para os termistores NTC e PTC.
- Também chamados RTD (Resistance Temperature Detector)- Alta estabilidade mecânica e térmica- Resistência à contaminação- Baixo índice de desvio pelo envelhecimento e tempo de uso- São feitos de metais semicondutores (platina, cobre ou níquel)- Faixa de temperatura – 270 a 660 oC- É necessário que todo o corpo do bulbo esteja com a
temperatura equilibrada para fazer a indicação corretamente- A medição é feita normalmente por ligação a um circuito de
medição tipo ponte de Wheatstone27
3.4. TermorresistoresPrincípio: variação da resistência em função da
temperatura
Esquema geral de um termorresistor.28
Diferentes tipos de termorresistores.29
- Utilizado para medir altas temperaturas (como alto-fornos)- Baseado no princípio da lei de Planck, que prevê o fluxo radiante de energia por unidade de área de um corpo negro em função da temperatura-Esse princípio vale para todas as substâncias que podem emitir luz ao se tornarem incandescentes-Seu funcionamento se dá por comparação da cor de um objeto incandescente com a cor de um filamento interno do aparelho- A temperatura final medida depende muito da capacidade de comparação do operador
4. Sensores de radiação4.1. Pirômetro ópticoPrincípio: emissão de energia radiante em função da
temperatura
Esquema geral de um pirômetro óptico.31
- Faixa de temperatura: - 20 a 1000 oC- Ideal para medir temperatura de superfícies- Leitura digital
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4.2. Termômetro de infra-vermelhoPrincípio: emissão de energia radiante em função
da temperatura
“Caminhos” da energia relacionados a um determinado corpo (item testado).
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Esquema geral de um termômetro de infra-vermelho.
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Alguns modelos de termômetro de infra-vermelho.35
Medição e controle de temperatura em bioprocessos:
- Termômetros de expansão de líquido (laboratório)- Termopares- Termorresistores - Termistores (mais precisos)
Finalidades:-Controle da temperatura do meio de fermentação-Controle da temperatura durante a esterilização-Controle da temperatura ambiente-Controle da temperatura para conservação de matérias-primas e suplementos de meios-Controle da temperatura durante processos de recuperação de produtos
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